Name: engineering molecular recognition with bio-mimetic polymers on single walled carbon nanotubes
Uploaded: 2017-01-10T14:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 28 s
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This work was supported by Burroughs Wellcome Fund Career Award at the Scientific Interface (CASI), a Simons Foundation grant, and a Brain and Behavior Research foundation young investigator grant.

Achtung: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDS) vor dem Gebrauch. Nanomaterialien können zusätzliche Gefahren im Vergleich zu ihren Schüttgut-Pendant. Verwenden Sie alle erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen einschließlich technische Kontrollen (Dunstabzug, Lärm-Gehäuse) und persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Schutzbrille, Kittel, in voller Länge Hosen, geschlossene Schuhe). 1. Herstellung der Puffer, Tensid und Polymer Solutions <ol><li> Herstellung von 100 mM NaCl - Lösung <ol><li> Man löst 584 mg NaCl in 80 ml entionisiertem Wasser. Entsalztem Wasser Gesamtvolumen auf 100 ml zu bringen. </li></ol></li><li> Herstellung von 3% Natriumdodecylsulfat (SDS) -Lösung <ol><li> Man löst 3 g SDS in 80 ml entionisiertem Wasser. Entsalztem Wasser Gesamtvolumen auf 100 ml zu bringen. </li></ol></li><li> Herstellung von 2% Natriumcholat (SC) Lösung <ol><li> Löse 2 g sodium Cholat-Hydrat in 80 ml entionisiertem Wasser. Entsalztem Wasser Gesamtvolumen auf 100 ml zu bringen. </li></ol></li><li> Herstellung von Abbildungspuffer (1x Tris: 20 mM Tris, 100 mM NaCl) <ol><li> Man löst 22,23 g Tris-Base und 58,44 g NaCl in 500 ml entsalztem Wasser ein Magnetrührstab und Platte verwendet wird. </li><li> Vorsichtig konzentrierte HCl hinzu bis ein pH von 8,1 erreicht ist. </li><li> entsalztem Wasser hinzufügen Endvolumen von 1 l zu erreichen </li></ol></li><li> Synthese von RITC-PEG-Polymer RITC <ol><li> Auflösen Amin difunktionalisierten Polyethylenglykol (PEG) (5 kDa oder 20 kDa, 0,1 mol / L) und Rhodamin-Isothiocyanat (RITC, 0,2 mol / L) in 1 mL einer 1: 1 Mischung von Dichlormethan und Dimethylformamid (DMF). </li><li> Hinzufügen 0,2 mol / l N, N - Diisopropylethylamin (DIEA). </li><li> Nach 3 h mit 10-fach Volumen Diethylether durch Vakuumfiltration gefolgt auszufällen. </li><li> Abgeblasen, in DMF und wiederholen follo Etherfällungwed durch Vakuumfiltration. Hinweis: andere Isothiocyanat modifizierten Moleküle (zB Fluoresceinisothiocyanat, FITC) an PEG oder einem anderen Amin modifizierten Polymere unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens angebracht werden. </li></ol></li><li> Herstellung von pegyliertem-DNA (PEG-DNA) <ol><li> Kombinieren von 100 &amp; mgr; l Tris (2-carboxyethyl) phosphin-Hydrochlorid (TCEP) -Lösung (0,5 M, pH 7,0) mit 44,9 &amp; mgr; l 5&#39;-Thiol-modifizierte DNA (1 mg / 10 &amp; mgr; l in 0,1 M NaCl) und in den 4,855 ml entionisiertes Wasser. </li><li> Rühre 1 Stunde. </li><li> Man löst 500 mg Methoxypolyethylenglykol Maleimid in 5 ml Phosphat-gepufferter Kochsalzlösung. </li><li> Kombinieren Sie DNA und PEG-Lösungen (10 ml gesamt) und rühre 24 h. </li></ol></li></ol> 2. Herstellung von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT) Suspensions <ol><li> Wäsche von SWNTs Katalysator und Verunreinigungen zu entfernen. <ol><li> In 200-300 mg ungewaschener SWNTs in eine Plastikzentrifugenröhrchen containing 45 ml entionisiertem Wasser. </li><li> Vortex die Lösung für 2 min und beschallen ein Ultraschallbad für 5 Minuten verwendet wird. Beachten Sie, dass Beschallungsgerät Einstellungen von Instrument zu Instrument variieren, so überprüfen Sie, dass die optische Dichte der SWNT - Lösung erhöht (dh schwarz wird ) , um sicherzustellen , dass die SWNT verteilt werden. </li><li> Zentrifugieren Sie die Lösung für 20 min bei 16.100 xg und Überstand verwerfen. </li><li> In etwa 45 ml frischem entionisiertem Wasser. </li><li> Wiederholen Sie die Schritte 2.1.2-2.1.4 bis zu 8-mal. </li><li> Entfernen Sie so viel Wasser wie möglich darauf achten, nicht pelletierten SWNTs zu stören und SWNT-Pellet an der Luft trocknen lassen. </li></ol></li><li> Nukleinsäure-Suspensionen von SWNT <ol><li> Auflösen Nukleinsäuren (NA) in 0,1 M NaCl zu einer Konzentration von 100 mg / mL. </li><li> Sie statische Elektrizität von Einweg-Spatel, Mikrozentrifugenröhrchen und SWNT Lager eine antistatische Pistole. In einem Abzug, fügen Sie 20 ul der NA-Lösung auf 980 &amp; mgr; l von 00,1 M NaCl durch Zugabe von 1 mg SWNTs gefolgt. </li><li> Verwendung eines Ultraschallgerät mit 3 mm Durchmesser Spitze beschallen die Lösung für 10 min bei 40% Amplitude in einem Eisbad. </li><li> Zentrifugieren Sie die DNA-SWNT Lösung ZWEIMAL 90 min bei 16.100 x g. Bei der Verwendung von PEG-DNA, zu reinigen überschüssiges und nicht umgesetzte DNA und PEG mit einem 100 kDa Spin-Filter. Fügen Sie genug PBS den Spin-Filter und Spin bei 9.300 × g für 1,5 Minuten zu füllen, wiederholen Sie diesen Waschschritt 3 mal. </li><li> Sammeln Sie und halten Sie den Überstand, wobei darauf geachtet, nicht das Pellet zu stören enthält CNT Bündel und Aggregate. Entsorgen Sie das Pellet in Einklang mit den institutionellen Sondermüll geeigneten Verfahren für Nanomaterialien. </li><li> mit ε = 0,036 L / cm · mg entsprechend Lambert-Beer-Gesetz und dem entsprechenden Verdünnungsfaktor Messen Sie die Lösung Absorption bei 632 nm unter Verwendung eines UV / Vis-Spektralphotometer ungefähre Konzentration von suspendierten einwandigen Nanoröhren zu bestimmen. </li></ol></li><li> Amphiphile PolymersuspensionenSWNT <ol><li> Sie statische Elektrizität von Einweg-Spatel, Mikrozentrifugenröhrchen und SWNT Lager. In einem Abzug werden 5 mg SWNT bis 5 ml 2% SC-Lösung (alternativ kann SDS-Lösung verwendet werden). </li><li> Verwendung eines Ultraschallgerät mit 6 mm Durchmesser Spitze beschallen die Lösung für 1 h bei 40% Amplitude in einem Eisbad. </li><li> Centrifuge Probe bei 150.000 g für 4 h eine Ultrazentrifuge und sorgfältig Überstand zu sammeln. </li><li> Man löst 1 wt% des amphiphilen Polymers (zB RITC-PEG-RITC) in SC-SWNT - Lösung. </li><li> Dialysieren das Polymer-SC-SWNT-Lösung mit einer 3,5 kDa Dialysemembran gegen 1 l deionisiertem Wasser oder Puffer für 5 Tage verwenden. Ändern des Wasser oder Puffer für Stunde und 2 Stunde 4. Eine größere Dialysemembran verwendet werden kann, solange es die Entfernung des oberflächenaktiven Mittels der Wahl erlaubt, aber Beibehaltung sowohl der SWNT und amphiphilen Polymer. </li><li> Messen Sie die Lösung Extinktion bei 632 nm unter Verwendung eines UV / Vis-Spektrophotometer zur Bestimmungungefähre Konzentration von suspendierten einwandigen Nanoröhren mit ε = 0,036 L / cm * mg entsprechend Lambert-Beer-Gesetz und dem entsprechenden Verdünnungsfaktor. </li></ol></li></ol> 3. Herstellung von Oberflächen Immobilisierte SWNT-Sensoren <ol><li> Herstellung von BSA-Biotin und NeutrAvidin Stammlösungen <ol><li> Man löst 10 mg gefriergetrocknet BSA-Biotin in 1 ml entsalztem Wasser eine 10 mg / ml Stammlösung und lagern bei 4 ° C zu machen. </li><li> Man löst 10 mg NeutrAvidin Protein (NAV, deglycosyliert Avidinprotein) in 2 ml entionisiertem Wasser eine 5 mg / ml Stammlösung zu machen. Store Aliquots bei -20 ° C. Aufgetaute Aliquots kann für mehrere Tage bei 4 ° C aufbewahrt werden. </li></ol></li><li> Bereiten BSA-Biotin beschichtet Mikroskop - Objektträger <ol><li> Reinigen Sie einen Objektträger und 0,17 mm Deckglas (oder gegebenenfalls für das Mikroskopobjektiv) mit entsalztem Wasser, gefolgt von Methanol, Aceton und letzte Spülung von entsalztem Wasser. </li><liErstellen&gt; Kanäle, indem mehrere Stücke doppelseitigen Klebebands etwa 5 mm voneinander entfernt auf dem sauberen Mikroskop-Objektträger. Verschließen Sie die Kanäle, die durch eine lange Deckglas zu nehmen und es auf die Oberseite des doppelseitiges Klebeband drücken. Seien Sie sicher, dass es auf dem Objektträger zentriert ist, so dass die Kanten des Deckglases und Rutsche nicht bündig sind. </li><li> Füge 100 &amp; mgr; l BSA-Biotin-Stammlösung zu 900 &amp; mgr; l 1x Tris-Puffer auf eine Endkonzentration von 1 mg / mL. </li><li> Fluss 50 ul der BSA-Biotin-Lösung in den Kanal durch Pipettieren der Lösung in ein Ende und Feuchtigkeitsregulierung entfernt Lösung am anderen ein Gewebe verwendet wird. Inkubieren für 5 Minuten, gefolgt von 3-5 Spülungen mit 50 &amp; mgr; l von 0,1 M NaCl. </li><li> Verdünnen 40 &amp; mgr; l von 5 mg / ml NAV Lager in 960 ul 1x Tris-Puffer auf eine Endkonzentration von 0,2 mg / ml. </li><li> Durchfluss 50 ul der NAV-Lösung in den Kanal durch Pipettieren der Lösung in ein Ende und Feuchtigkeitsregulierung entfernt Lösung am anderen ein Gewebe verwendet wird. Inkubieren für 2-5 Minutengefolgt von 3-5 Spülungen mit 50 ul 0,1 M NaCl. </li><li> Verdünnte Stammlösungen von suspendierten SWNTs in Abbildungspuffer zu einer Konzentration von 1-10 mg / L und Strömungs 50 &amp; mgr; l der Lösung in den Kanal und Inkubation für 5 min. </li><li> Spülen Sie vorsichtig überschüssiges SWNTs unter Verwendung von 50 &amp; mgr; l von Abbildungspuffer entfernt. </li></ol></li><li> Herstellung von APTES silanisierte Objektträger HINWEIS: APTES silanisiert Folien ermöglichen eine Möglichkeit, die Oberfläche eines Glassubstrats negativ geladenen DNA-wrapped SWNTs zu immobilisieren. <ol><li> Eine 10% ige Lösung von (3-Aminopropyl) triethoxysilan (APTES) in Ethanol. </li><li> Mit Kanäle unter Verwendung der in 3.2.2 beschriebenen Schritte, fließen in 100 ul 1x Tris-Puffer. </li><li> Spülen Sie den Kanal mit APTES Lösung und Inkubation für 5 min. Waschen mit 1x Tris-Puffer. </li><li> Verdünnte Stammlösungen von suspendierten DNA-SWNTs in Abbildungspuffer zu einer Konzentration von 1-10 mg / Land Strömungs 50 &amp; mgr; l der Lösung in den Kanal und incubaß für 5 min. </li><li> Spülen Sie vorsichtig überschüssiges SWNTs unter Verwendung von 50 &amp; mgr; l von Abbildungspuffer entfernt. </li></ol></li></ol> 4. Fluoreszenzspektroskopie und Mikroskopie von SWNT-Sensoren <ol><li> nIR Fluoreszenzmikroskopie <ol><li> Führen Sie Abbildung der Oberflächen immobilisiert SWNT mit Laseranregung und ein inverses Mikroskop mit einer InGaAs-Sensor-Array ausgestattet für die Bildgebung. </li><li> Richten Sie den Laserstrahl mit der Hintergrundbeleuchtung Anschluss eines inversen Mikroskops zur Eingabe mit Hilfe von Spiegeln auf verstellbaren kinematischen Halterungen und ein Paar von Pfosten montiert Iris auf den Hafen Höhe. Sicherstellen, dass die Strahlebene ist und gerade durch die Bestätigung, es geht durch beide Iris, wenn zwischen aufeinanderfolgenden Spiegel gestellt und vor dem Eintritt in die Beleuchtungs Port. Falls erforderlich, stellen Sie die Strahlhöhe ein Periskop Montage verwendet wird. Entfernen Sie alle Kurzpasswärmefilter auf der Beleuchtungs Port, der den Strahl dämpfen würde. </li><li> Legen Sie einen geeigneten Filterwürfel in das Mikroskopdas Anregungslicht in das Objektiv zu reflektieren und Emissionslicht zu sammeln. Dieser besteht typischerweise aus einem dichroitischen Langpassfilter mit einer Grenz oberhalb der Anregungswellenlänge (beispielsweise 750 LP) und einer Emissionslangpassfilter (beispielsweise 850 LP) weiter gestreutes Anregungslicht zu minimieren , den Sensor vom Schlagen. Zusätzlich kann das Emissionsfilter gewählt werden, für die Emission von SWNTs einer bestimmten Chiralität selektiv. </li><li> Führen Sie Feineinstellungen für die Strahlausrichtung durch eine entsprechende Ausrichtung Würfel Einsetzen des Objektivs mit zwei versetzten, Mattscheiben, die 1 mm kleine Löcher zu ersetzen. Richten des Strahls auf die Mitte der beiden unteren und oberen Ausrichtschicht Scheiben. </li><li> Bringen Sie ein 2D InGaAs-Sensoranordnung an der Seite Imaging-Port des Mikroskops einen entsprechenden Adapter und ein 0,5-fach-Objektiv, wenn notwendig, die Sensorgröße anzupassen. </li><li> Unter Verwendung eines 100X -Ölimmersionsobjektiv (1,4 NA), gelten fluoreszenzfrei Sionsöl und legen Sie die immobilized SWNT Probe auf den Mikroskoptisch. </li><li> Heben Sie das Ziel, bis das Öl in Kontakt mit der Unterseite des Deckglases (# 1.5, 170 &amp; mgr; m Dicke). Nehmen Sie die Einstellung mit dem Ziel Kragen notwendig , wenn für Abbildungsbedingungen, zB Temperatur, Glasdicke, usw. </li><li> Langsam heben das Ziel mit der Anregungsquelle auf und das Fluoreszenzsignal der InGaAs-Kamera zu überwachen. Die Fluoreszenzintensität sollte schrittweise zu erhöhen, wie die Fokusebene der Oberfläche nähert, und die immobilisierten Sensoren in den Fokus gerückt. </li></ol></li><li> nIR Fluoreszenzspektroskopie HINWEIS: Fluoreszenzspektroskopie kann mit dem gleichen Mikroskopaufbau durchgeführt werden, sondern durch das gesammelte Licht aus dem Mikroskopkörper lenken und in ein Spektrometer und InGaAs Lineararray-Detektor. <ol><li> Mit kinematischen Halterungen und Spiegel für nIR bewertet, lenken das Licht Weg zu den Eintrittsspalt des Spektrometers. Konzentrieren Sie das Licht auf einen poi untennt auf den Eingang einer Fokussierlinse geschlitzt mit (zB plankonvexe, f = 150 mm). Diese Ausrichtung durch Dämpfen der Laserleistung auf &lt;1 mW und Ersetzen des Mikroskopobjektiv mit einem 1 &quot;Spiegel und unter Verwendung eines 50/50 Strahlteilungsfilterwürfel erreicht wird. Das Anregungslicht wird dann den Mikroskopkörper durch die Austrittsöffnung verlassen können und verwendet werden, die Spiegel und die Linse zu fokussieren den Strahl auf den Eintrittsspalt einzustellen. </li><li> das Mikroskopobjektiv und Langpassfilter, legen Sie eine Well-Platte auf die Bühne und notieren Sie die Spektren von einem Scharf Probe unter Verwendung des Spektrometers und InGaAs-Array nach dem Ersetzen. </li></ol></li><li> Die Messung der reversiblen Reaktion von (GT) 15 DNA-SWNT zu Dopamin <ol><li> Berg Sensorkanäle auf den Mikroskoptisch und bringen in den Fokus mit einem 100X Öl-Objektiv und InGaAs-Kamera beschichtet. Zugabe von 50 ul 100 uM Dopamin-Lösung in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) mit dem Strömungskanal und Aufzeichnungsdie Änderung in der Fluoreszenzintensität. </li><li> Waschen Sie die Dopamin Lösung phosphatgepufferte Salzlösung mit und die Veränderung der Fluoreszenz der einzelnen SWNT-Sensoren beobachten. </li></ol></li><li> Well-Platten - Screening für Analyten Antwort von SWNT - Sensoren HINWEIS: Screening von verschiedenen Analyten kann mit einem motorisierten Tisch gesteuert mit Hilfe eines transparenten Well-Platte durchgeführt werden. Eine ideale Well-Platte ist transparent für sichtbares und IR und hat schwarze Seitenwände Übersprechens zwischen den Vertiefungen zu minimieren. <ol><li> Pipette gleichen Volumina von suspendierten SWNT - Sensor (zB 5 mg / l Konzentration) in jede Vertiefung, genug , um den Boden des Bohrlochs gleichmäßig abzudecken, in der Regel&gt; 100 &amp; mgr; l für eine 96-Well - Platte und&gt; 30 &amp; mgr; l für eine 384-Well - Platte . </li><li> Pipette Analyten ( zum Beispiel 2 &amp; mgr; l, 100 &amp; mgr; M Endvolumen) vom Screening - Bibliothek in die Well - Platten. Bereiten Sie jeden Analyten in dreifacher Ausfertigung für potenzielle Rechnung zu tragen und zu gut Variation, fluctuatIonen der Anregungsintensität oder der Temperatur. </li><li> Heben Sie das Ziel (zB 20X Achroplan, 0,45 NA) , während die Emissionsspektren Überwachung des Spektrometers und InGaAs - Array verwendet wird . Optimale Position des Ziels wird der Brennebene etwa in der Mitte des Probenvolumens in dem Bohrloch gesetzt, die zu einem Maximum der gemessenen Intensität entsprechen. </li><li> Für jede Probe gut, notieren Belichtung eines 1-10 s ein Spektrum zu sammeln. </li><li> Vergleichen Sie die Emissionsspektren für jede Vertiefung zu einem Steuerelement enthält nur SWNT ohne zusätzliche Analyt die Fluoreszenzantwort zu quantifizieren. </li></ol></li></ol>

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S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+the+Nature+of+the+DNA-Assisted+Separation+of+Single-Walled+Carbon+Nanotubes+Using+Fluorescence+and+Raman+Spectroscopy.">Understanding the Nature of the DNA-Assisted Separation of Single-Walled Carbon Nanotubes Using Fluorescence and Raman Spectroscopy.</a> Nano Lett. 4 (4), 543-550 (2004).</li><li>Bisker, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protein-targeted+corona+phase+molecular+recognition.">Protein-targeted corona phase molecular recognition.</a> Nat Comm. 7, 10241 (2016).</li><li>Nelson, J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanism+of+Immobilized+Protein+A+Binding+to+Immunoglobulin+G+on+Nanosensor+Array+Surfaces.">Mechanism of Immobilized Protein A Binding to Immunoglobulin G on Nanosensor Array Surfaces.</a> Anal Chem. 87 (16), 8186-8193 (2015).</li><li>Zhang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+recognition+using+corona+phase+complexes+made+of+synthetic+polymers+adsorbed+on+carbon+nanotubes.">Molecular recognition using corona phase complexes made of synthetic polymers adsorbed on carbon nanotubes.</a> Nat nanotechnol. 8 (12), 959-968 (2013).</li><li>Kruss, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neurotransmitter+detection+using+corona+phase+molecular+recognition+on+fluorescent+single-walled+carbon+nanotube+sensors.">Neurotransmitter detection using corona phase molecular recognition on fluorescent single-walled carbon nanotube sensors.</a> J Am Chem Soc. 136 (2), 713-724 (2014).</li><li>Salem, D. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chirality+dependent+corona+phase+molecular+recognition+of+DNA-wrapped+carbon+nanotubes.">Chirality dependent corona phase molecular recognition of DNA-wrapped carbon nanotubes.</a> Carbon. 97, 147-153 (2016).</li><li>Giraldo, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Ratiometric+Sensor+Using+Single+Chirality+Near-Infrared+Fluorescent+Carbon+Nanotubes:+Application+to+In+Vivo+Monitoring.">A Ratiometric Sensor Using Single Chirality Near-Infrared Fluorescent Carbon Nanotubes: Application to In Vivo Monitoring.</a> Small. 11 (32), 3973-3984 (2015).</li><li>Karousis, N., Tagmatarchis, N., Tasis, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+Progress+on+the+Chemical+Modification+of+Carbon+Nanotubes.">Current Progress on the Chemical Modification of Carbon Nanotubes.</a> Chem Rev. 110 (9), 5366-5397 (2010).</li><li>Movia, D., Del Canto, E., Giordani, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Purified+and+Oxidized+Single-Walled+Carbon+Nanotubes+as+Robust+Near-IR+Fluorescent+Probes+for+Molecular+Imaging.">Purified and Oxidized Single-Walled Carbon Nanotubes as Robust Near-IR Fluorescent Probes for Molecular Imaging.</a> J Phys Chem C. 114 (43), 18407-18413 (2010).</li><li>Cognet, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stepwise+quenching+of+exciton+fluorescence+in+carbon+nanotubes+by+single-molecule+reactions.">Stepwise quenching of exciton fluorescence in carbon nanotubes by single-molecule reactions.</a> Science. 316 (5830), 1465-1468 (2007).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

SWNTs werden in wässriger Lösung durch direkte Beschallung mit SDS oder ssDNA leicht suspendiert, wie durch eine Zunahme der optischen Dichte durch die kolloidale Dispersion des resultierenden SWNT-Polymer-Hybrid vorgesehen angegeben. SDS und ssDNA streut und solubilisiert Bündel von einwandigen Nanoröhren durch durch hydrophobe oder pi-pi-Wechselwirkungen auf die SWNT Oberfläche zu adsorbieren. Zusätzlich können andere Polymere, wie genomische DNA, amphiphile Polymere, konjugierte Polymere und Lipiden, auf die O...

Einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNT) sind atomar dünne Schichten aus Kohlenstoffatomen rollten in lange, dünne Zylinder, die einzigartige elektronische und optische Eigenschaften aufweisen. 1 Derartige Eigenschaften umfassen eine Bandlücken Herstellung nahen Infrarot (NIR) Fluoreszenzemission über Exziton Rekombination , die sehr empfindlich gegenüber ihrer lokalen Umgebung ist. NIR- Emission von SWNTs fällt in den nahen Infrarot-Fenster, in dem die Eindringtiefe des Lichts für biologisches Gewebe maximal ist. 2,3 Zusätzlich zeigen SWNT einige einzigartige Eigenschaften atypisch im Gegensatz zu organischen Fluorophore: SWNT weisen eine große Stokes - Verschiebung, nicht photobleach, und nicht blinken. 4 In jüngster diese Eigenschaften ausnutzt , hat zur Entwicklung einer Zusammenstellung der neuen molekularen Sensoren mit Anwendungen in der Biologie geführt. 5,6 Unveränderte sind jedoch SWNTs in Wasser unlöslich und Suspensionen einzelner SWNT zu erhalten , kann eine Herausforderung sein. 7,8 Bundling und Aggregation von einwandigen Nanoröhren in Lösung können ihre Bandlückenfluoreszenz, 2 macht sie ungeeignet für Sensoranwendungen zu verschleiern. Dispergier- einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhren in wässriger Lösung erfordert ihre oberflächenmodifizierenden Hydrophobizität getriebenen Aggregation zu verhindern. 9 Während Modifikation kovalente kann SWNT wasserlöslich machen, 10 sowie vermitteln spezifische Bindungschemie, Defektstellen im SWNT Gitter reduzieren oder ihre Fluoreszenzemission abklingen. 13 , die durch hydrophobe und pi-pi Stapel - Wechselwirkungen an die Nanoröhrenoberfläche adsorbieren - Stattdessen kann SWNT Funktionalisierung unter Verwendung von Tensiden, Lipiden, Polymeren und DNA 9,11 erreicht werden. Die sich ergebende chemische Umgebung umgebende Oberfläche funktionalisierte SWNTs wird als seine corona Phase. Störeinflüsse auf die Corona-Phase kann einen großen Einfluss auf Exzitonen haben auf der Oberfläche von Nanoröhren reisen, Modulationen verursacht fluor zu SWNTescence Emission. Es ist dieses empfindliche Beziehung zwischen der Koronaphase und SWNT Fluoreszenz, die durch den Einbau von spezifischen Bindungsmodalitäten auf die große Oberfläche von SWNT neuen molekularen Sensoren zu entwickeln, ausgenutzt werden kann. Störeinflüsse auf die SWNT Corona Phase bei Analyt-Bindung kann in der lokalen dielektrischen Umgebung zu Veränderungen führen, Ladungstransfer oder Gitterfehler einführen, die alle die Fluoreszenzemission der SWNTs modulieren kann als Signalübertragungsmechanismus zu dienen. 14 Dieser Ansatz in der Entwicklung neuer Fluoreszenzsensoren für den Nachweis von vielen verschiedenen Klassen von Molekülen , einschließlich DNA, 15,16 Glucose 17 und kleine Moleküle, wie ATP, 18 reaktive Sauerstoffspezies 19 und Stickstoffmonoxid verwendet wird. 20,21 Jedoch sind diese Ansätze beschränkt, daß sie sich auf die Existenz eines bekannten Bindungs Modalität für die Zielanalyten verlassen. Vor kurzem wurde eine allgemeinere AppRotauge Fluoreszenzsensoren zur Gestaltung wurde SWNTs nicht-kovalent funktionalisiert mit amphiphilen Hetero, Phospholipide und Polynucleinsäuren entwickelt wurden. Diese Moleküle adsorbieren an Kohlenstoff - Nanoröhrchen - Oberflächen zu produzieren hochstabile Suspensionen einzelner SWNT 22-25 mit einzigartigen Corona - Phasen , die spezifisch Proteine 26,27 oder kleine Moleküle einschließlich des Neurotransmitters Dopamin binden kann. 28-30 Engineering the Corona Phase SWNTs und spezifisch binden Zielanalyten zu dispergieren , wird als Corona - Phase molekulare Erkennung (CoPhMoRe) bezeichnet. 28 Die kleine Größe, geringe Toxizität, hohe Stabilität und unbleaching nIR Fluoreszenz von CoPhMoRe SWNT - Sensoren machen sie zu ausgezeichneten Kandidaten für die in vivo Mess für längere zeitaufgelöste Messungen. 6 Neuere Arbeiten zur optischen Detektion von reaktivem Stickstoff und Sauerstoff - Spezies ihre Anwendungen in Pflanzengewebe gezeigt. 31Eine besonders spannende Anwendung für CoPhMoRe SWNT - Sensoren ist das Potenzial für markierungsfreie Detektion von Neurotransmittern wie Dopamin in vivo, wo andere Techniken, wie elektrochemische Mess oder Immunhistochemie, leiden an einem Mangel an räumlicher Auflösung, zeitliche Auflösung und Spezifität. Die Projektierung und die Entdeckung CoPhMoRe SWNT-Sensoren hat bisher von der Größe und chemische Vielfalt der Dispersions Bibliothek zurückgehalten worden, um die Wahrscheinlichkeit zu begrenzen eines Sensors für ein bestimmtes Ziel zu finden. Bisher haben Forscher verkratzt nur die Oberfläche der verfügbaren konjugierten, co-block, biologische und biomimetische Polymere, die als funktionell aktives Dispergiermittel für SWNT-Sensoren dienen. Hier stellen wir verschiedene Methoden für beide SWNT Dispergieren und ihre Fluoreszenz für Hochdurchsatz-Screening und die Charakterisierung für einzelne SWNT-Sensor-Analyse. Insbesondere beschreiben wir das Verfahren zur Beschichtung von SWNT mit Polynukleinsäure oligomers durch direkte Beschallung sowie wie SWNT mit amphiphilen Polymeren durch Tensid Austausch durch Dialyse zu funktionalisieren. Wir verwenden (GT) 15 -DNA und Polyethylenglykol funktionalisiert mit Rhodaminisothiocyanat (RITC-PEG-RITC) als Beispiele. Wir veranschaulichen die Verwendung von (GT) 15 -DNA SWNTs als CoPhMoRe Sensor für den Nachweis von Dopamin. Schließlich beschreiben wir Verfahren zur Einzelmolekül-Sensormessungen durchführt, die für die Charakterisierung oder Einzelmolekülmessung verwendet werden kann.

<table><tbody><tr><td>sodium chloride</td><td>Fisher Scientific</td><td>S271-1</td><td></td></tr><tr><td>sodium dodecyl sulfate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>L6026</td><td></td></tr><tr><td>sodium cholate hydrate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>C6445</td><td></td></tr><tr><td>tris base (Trizma base)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>93362</td><td></td></tr><tr><td>hydrochloric acid</td><td>Fisher Scientific</td><td>A144-212</td><td></td></tr><tr><td>Amine-PEG-amine,NH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;-PEG-NH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Nanocs Inc</td><td>PG2-AM-5k</td><td></td></tr><tr><td>rhodamine B isothiocyanate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>283924</td><td></td></tr><tr><td>fluorescein isothiocyanate</td><td>Sigma Aldrich</td><td>F7250</td><td></td></tr><tr><td>dichloromethane</td><td>Sigma Aldrich</td><td>676853</td><td></td></tr><tr><td>dimethylformamide</td><td>Sigma Aldrich</td><td>D4551</td><td></td></tr><tr><td>&lt;em&gt;N,N&lt;/em&gt;-diisopropylethylamine</td><td>Sigma Aldrich</td><td>D125806</td><td></td></tr><tr><td>diethyl ether</td><td>Sigma Aldrich</td><td>673811</td><td></td></tr><tr><td>Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>C4706&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>5&amp;rsquo;-thiol-modified DNA&amp;nbsp;</td><td>Integrated DNA Technologies</td><td></td><td></td></tr><tr><td>methoxypolyethylene glycol maleimide</td><td>Sigma Aldrich</td><td>63187</td><td></td></tr><tr><td>100 kDa spin filters</td><td>Millipore</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HiPCO Super purified single walled carbon nanotubes</td><td>Integris</td><td>HiPco SuperPurified</td><td></td></tr><tr><td>phosphate buffered saline</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P5493</td><td></td></tr><tr><td>anti static gun</td><td>Milty</td><td>Milty Zerostat 3</td><td></td></tr><tr><td>centrifuge</td><td>Eppendorf</td><td>5415 D</td><td></td></tr><tr><td>ultra sonicator</td><td>Cole Parmer</td><td>CV18</td><td></td></tr><tr><td>dialysis cassettes</td><td>Thermo scientific</td><td>Slide-A-Lyzer G2 87722</td><td></td></tr><tr><td>BSA-biotin</td><td>Thermo scientific</td><td>29130</td><td></td></tr><tr><td>Neutravidin protein</td><td>Thermo scientific</td><td>31000</td><td></td></tr><tr><td>(3-Aminopropyl)triethoxysilane (APTES)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>440140</td><td></td></tr><tr><td>inverted microscope</td><td>Zeiss</td><td>Axio Observer.Z1</td><td></td></tr><tr><td>kinematic mirrors</td><td>ThorLabs</td><td>KM200-E03</td><td></td></tr><tr><td>periscope</td><td>ThorLabs</td><td>RS99</td><td></td></tr><tr><td>immersion oil</td><td>Zeiss</td><td>Immersol 518f</td><td></td></tr><tr><td>100X objective</td><td>Zeiss</td><td>Plan-apochromat 100X oil, 1.4NA, PH3, 420791-9911-000</td><td></td></tr><tr><td>20X objective</td><td>Zeiss</td><td>N-Achroplan 0.45 NA, 420953-9901-000&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>cover glass</td><td>Healthrow Scientific</td><td>HS159879H</td><td></td></tr><tr><td>dopamine hydrochloride</td><td>Sigma Aldrich</td><td>H8502&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>infrared 2D array camera</td><td>Princeton Instruments</td><td>NIRvana</td><td></td></tr><tr><td>infrared 1D sensor array</td><td>Princeton Instruments</td><td>PyLoN IR</td><td></td></tr><tr><td>nIR spectrograph</td><td>Princeton Instruments</td><td>SCT-320</td><td></td></tr><tr><td>planoconvex lens</td><td>ThorLabs</td><td>LA1384</td><td></td></tr><tr><td>well plates (glass bottom)</td><td>Corning</td><td>4580</td><td></td></tr></tbody></table>

engineering molecular recognition with bio-mimetic polymers on single walled carbon nanotubes

Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are a class of optically active nanomaterial that fluoresce in the near infrared, coinciding with the optical window where biological samples are most transparent. Here, we outline techniques to adsorb amphiphilic polymers and polynucleic acids onto the surface of SWNTs to engineer their corona phases and create novel molecular sensors for small molecules and proteins. These functionalized SWNT sensors are both biocompatible and stable. Polymers are adsorbed onto the nanotube surface either by direct sonication of SWNTs and polymer or by suspending SWNTs using a surfactant followed by dialysis with polymer. The fluorescence emission, stability, and response of these sensors to target analytes are confirmed using absorbance and near-infrared fluorescence spectroscopy. Furthermore, we demonstrate surface immobilization of the sensors onto glass slides to enable single-molecule fluorescence microscopy to characterize polymer adsorption and analyte binding kinetics.

SWNTs wurden in wässriger Lösung mit beiden Tensiden und amphiphile Polymere, die durch direkte Beschallung und durch Dialyse Börse ausgesetzt. Abbildung 1 zeigt SWNTs, gezüchtet , um die Eisencarbonyl katalysierten Verfahren (HiPCO) verwenden, suspendiert SC verwenden, RITC-PEF20-RITC und (GT) 15 -DNA. Die optische Dichte eines SWNTs mit SDS (oder Polymer) erhöht drastisch nach der Beschallung und nimmt bei Entfernung von Aggregaten und Verunreinigungen ...

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Engineering Molecular Recognition with Bio-mimetic Polymers on Single Walled Carbon Nanotubes

We present a protocol for engineering the corona phase of near infrared fluorescent single walled carbon nanotubes (SWNTs) using amphiphilic polymers and DNA to develop sensors for molecular targets without known recognition elements.

Technik Molekulare Erkennung mit Bio-Mimetikum Polymers auf einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are a class of optically active nanomaterial that fluoresce in the near infrared, coinciding with the ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.1K Aufrufe.  University of California Berkeley. We present a protocol for engineering the corona phase of near infrared fluorescent single walled carbon nanotubes (SWNTs) using amphiphilic polymers and DNA to develop sensors for molecular targets without known recognition elements.

Serie: Engineering Molecular Recognition with Bio-mimetic Polymers on Single Walled Carbon Nanotubes

Fabrication, Densification, and Replica Molding of 3D Carbon Nanotube Microstructures

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip devices, and their applications. In particular, capabilities for cost-effective fabrication of polymer microstructures were transformed by the advent of soft lithography and other micromolding techniques 1, 2, and this led a revolution in applications of microfabrication to biomedical engineering and biology. Nevertheless, it remains challenging to fabricate microstructures with well-defined nanoscale surface textures, and to fabricate arbitrary 3D shapes at the micro-scale. Robustness of master molds and maintenance of shape integrity is especially important to achieve high fidelity replication of complex structures and preserving their nanoscale surface texture. The combination of hierarchical textures, and heterogeneous shapes, is a profound challenge to existing microfabrication methods that largely rely upon top-down etching using fixed mask templates. On the other hand, the bottom-up synthesis of nanostructures such as nanotubes and nanowires can offer new capabilities to microfabrication, in particular by taking advantage of the collective self-organization of nanostructures, and local control of their growth behavior with respect to microfabricated patterns. 
Our goal is to introduce vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), which we refer to as CNT "forests", as a new microfabrication material. We present details of a suite of related methods recently developed by our group: fabrication of CNT forest microstructures by thermal CVD from lithographically patterned catalyst thin films; self-directed elastocapillary densification of CNT microstructures; and replica molding of polymer microstructures using CNT composite master molds. In particular, our work shows that self-directed capillary densification ("capillary forming"), which is performed by condensation of a solvent onto the substrate with CNT microstructures, significantly increases the packing density of CNTs. This process enables directed transformation of vertical CNT microstructures into straight, inclined, and twisted shapes, which have robust mechanical properties exceeding those of typical microfabrication polymers. This in turn enables formation of nanocomposite CNT master molds by capillary-driven infiltration of polymers. The replica structures exhibit the anisotropic nanoscale texture of the aligned CNTs, and can have walls with sub-micron thickness and aspect ratios exceeding 50:1. Integration of CNT microstructures in fabrication offers further opportunity to exploit the electrical and thermal properties of CNTs, and diverse capabilities for chemical and biochemical functionalization 3.

We present methods for fabrication of patterned microstructures of vertically aligned carbon nanotubes (CNTs), and their use as master molds for production of polymer microstructures with organized nanoscale surface texture. The CNT forests are densified by condensation of solvent onto the substrate, which significantly increases their packing density and enables self-directed formation of 3D shapes.

Fabrication, Verdichtung, und Replica Molding von 3D-Carbon Nanotube Mikrostrukturen

The introduction of new materials and processes to microfabrication has, in large part, enabled many important advances in microsystems, lab-on-a-chip ...

Forschung

Ingenieurwesen

A Polyaniline-based Sensor of Nucleic Acids

Detection of nucleic acids is at the center of diagnostic technologies used in research and the clinic. Standard approaches used in these technologies rely on enzymatic modification that can introduce bias and artifacts. A critical element of next generation detection platforms will be direct molecular sensing, thereby avoiding a need for amplification or labels. Advanced nanomaterials may provide the suitable chemical modalities to realize label-free sensors. Conjugated polymers are ideal for biological sensing, possessing properties compatible with biomolecules and exhibit high sensitivity to localized environmental changes. In this article, a method is presented for detecting nucleic acids using the electroconductive polymer polyaniline. Simple DNA "probe" oligonucleotides complementary to target nucleic acids are attached electrostatically to the polymer, creating a sensor system that can differentiate single nucleotide differences in target molecules. Outside the specific and unbiased nature of this technology, it is highly cost effective.

Nucleic acids are common analytes for assessing biological systems; however, bias from enzymatic manipulation can cause concern. Here a method is described for label-free detection of nucleic acids using polyaniline. This sensitive, cost-effective sensor technology can distinguish single nucleotide differences between molecules.

Ein Polyanilin basierenden Sensor von Nucleic Acids

Detection of nucleic acids is at the center of diagnostic technologies used in research and the clinic. Standard approaches used in these technologies ...

Biochemie

Polymer Microarrays for High Throughput Discovery of Biomaterials

The discovery of novel biomaterials that are optimized for a specific biological application is readily achieved using polymer microarrays, which allows a combinatorial library of materials to be screened in a parallel, high throughput format1. Herein is described the formation and characterization of a polymer microarray using an on-chip photopolymerization technique 2. This involves mixing monomers at varied ratios to produce a library of monomer solutions, transferring the solution to a glass slide format using a robotic printing device and curing with UV irradiation. This format is readily amenable to many biological assays, including stem cell attachment and proliferation, cell sorting and low bacterial adhesion, allowing the ready identification of 'hit' materials that fulfill a specific biological criterion3-5. Furthermore, the use of high throughput surface characterization (HTSC) allows the biological performance to be correlated with physio-chemical properties, hence elucidating the biological-material interaction6. HTSC makes use of water contact angle (WCA) measurements, atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). In particular, ToF-SIMS provides a chemically rich analysis of the sample that can be used to correlate the cell response with a molecular moiety. In some cases, the biological performance can be predicted from the ToF-SIMS spectra, demonstrating the chemical dependence of a biological-material interaction, and informing the development of hit materials5,3.

A description of the formation of a polymer microarray using an on-chip photopolymerization technique. The high throughput surface characterization using atomic force microscopy, water contact angle measurements, X-ray photoelectron spectroscopy and time of flight secondary ion mass spectrometry and a cell attachment assay is also described.

Polymer Microarrays für High Throughput Discovery of Biomaterials

The discovery of novel biomaterials that are optimized for a specific biological application is readily achieved using polymer microarrays, which allows a ...

Biotechnik

Surface Enhanced Raman Spectroscopy Detection of Biomolecules Using EBL Fabricated Nanostructured Substrates

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules is reported. The entire sequence of relevant experimental steps is described, involving the fabrication of nanostructured substrates using electron beam lithography, immobilization of biomolecules on the substrates, and their characterization utilizing surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Three different designs of nano-biological systems are employed, including protein A, glucose binding protein, and a dopamine binding DNA aptamer. In the latter two cases, the binding of respective ligands, D-glucose and dopamine, is also included. The three kinds of biomolecules are immobilized on nanostructured substrates by different methods, and the results of SERS imaging are reported. The capabilities of SERS to detect vibrational modes from surface-immobilized proteins, as well as to capture the protein-ligand and aptamer-ligand binding are demonstrated. The results also illustrate the influence of the surface nanostructure geometry, biomolecules immobilization strategy, Raman activity of the molecules and presence or absence of the ligand binding on the SERS spectra acquired.

We describe the fabrication and characterization of nano-biological systems interfacing nanostructured substrates with immobilized proteins and aptamers. The relevant experimental steps involving lithographic fabrication of nanostructured substrates, bio-functionalization, and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) characterization, are reported. SERS detection of surface-immobilized proteins, and probing of protein-ligand and aptamer-ligand binding is demonstrated.

Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie Detektion von Biomolekülen Mit EBL Fabricated nanostrukturierte Substrate

Fabrication and characterization of conjugate nano-biological systems interfacing metallic nanostructures on solid supports with immobilized biomolecules ...

Functionalization of Single-walled Carbon Nanotubes with Thermo-reversible Block Copolymers and Characterization by Small-angle Neutron Scattering

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous solution. In a carbon nanotube/PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407) aqueous solution, the amphiphilic poloxamer 407 adsorbs onto the carbon nanotube surfaces and self-assembles into continuous layers, driven by intermolecular interactions between constituent molecules. The addition of 5-methylsalicylic acid changes the self-assembled structure from spherical-micellar to a cylindrical morphology. The fabricated poloxamer 407/carbon nanotube hybrid particles exhibit thermo-responsive structural features so that the density and thickness of poloxamer 407 layers are also reversibly controllable by varying temperature. The detailed structural properties of the poloxamer 407/carbon nanotube particles in suspension can be characterized by small-angle neutron scattering experiments and model fit analyses. The distinct curve shapes of the scattering intensities depending on temperature control or addition of aromatic additives are well described by a modified core-shell cylinder model consisting of a carbon nanotube core cylinder, a hydrophobic shell, and a hydrated polymer layer. This method can provide a simple but efficient way for the fabrication and in-situ characterization of carbon nanotube-based nano particles with a structure-tunable encapsulation.

A method for the functionalization of carbon nanotubes with structure-tunable polymeric encapsulation layers and structural characterization using small-angle neutron scattering is presented.

Funktionalisierung von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit Thermo-reversible Blockcopolymere und Charakterisierung durch Kleinwinkelneutronenstreuung

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous ...

Chemie

Fabrication of Carbon Nanotube High-Frequency Nanoelectronic Biosensor for Sensing in High Ionic Strength Solutions

The unique electronic properties and high surface-to-volume ratios of single-walled carbon nanotubes (SWNT) and semiconductor nanowires (NW) 1-4 make them good candidates for high sensitivity biosensors. When a charged molecule binds to such a sensor surface, it alters the carrier density5 in the sensor, resulting in changes in its DC conductance. However, in an ionic solution a charged surface also attracts counter-ions from the solution, forming an electrical double layer (EDL). This EDL effectively screens off the charge, and in physiologically relevant conditions ~100 millimolar (mM), the characteristic charge screening length (Debye length) is less than a nanometer (nm). Thus, in high ionic strength solutions, charge based (DC) detection is fundamentally impeded6-8.
We overcome charge screening effects by detecting molecular dipoles rather than charges at high frequency, by operating carbon nanotube field effect transistors as high frequency mixers9-11. At high frequencies, the AC drive force can no longer overcome the solution drag and the ions in solution do not have sufficient time to form the EDL. Further, frequency mixing technique allows us to operate at frequencies high enough to overcome ionic screening, and yet detect the sensing signals at lower frequencies11-12. Also, the high transconductance of SWNT transistors provides an internal gain for the sensing signal, which obviates the need for external signal amplifier.
Here, we describe the protocol to (a) fabricate SWNT transistors, (b) functionalize biomolecules to the nanotube13, (c) design and stamp a poly-dimethylsiloxane (PDMS) micro-fluidic chamber14 onto the device, and (d) carry out high frequency sensing in different ionic strength solutions11.

We describe the device fabrication and measurement protocol for carbon nanotube based high frequency biosensors. The high frequency sensing technique mitigates the fundamental ionic (Debye) screening effect and allows nanotube biosensor to be operated in high ionic strength solutions where conventional electronic biosensors fail. Our technology provides a unique platform for point-of-care (POC) electronic biosensors operating in physiologically relevant conditions.

Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen Hochfrequenztechnik Nanoelectronic Biosensor für Sensing in hoher Ionenstärke Lösungen

The unique electronic properties and high surface-to-volume ratios of single-walled carbon nanotubes (SWNT) and semiconductor nanowires (NW) 1-4 make them ...

Self-assembling Morphologies Obtained from Helical Polycarbodiimide Copolymers and Their Triazole Derivatives

A facile method for the preparation of polycarbodiimide-based secondary structures (e.g., nano-rings, &#34;craters,&#34; fibers, looped fibers, fibrous networks, ribbons, worm-like aggregates, toroidal structures, and spherical particles) is described. These aggregates are morphologically influenced by extensive hydrophobic side chain-side chain interactions of the singular polycarbodiimide strands, as inferred by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) techniques. Polycarbodiimide-g-polystyrene copolymers (PS-PCDs) were prepared by a combination of synthetic methods, including coordination-insertion polymerization, copper(I)-catalyzed azide alkyne cycloaddition (CuAAC) &#34;click&#34; chemistry, and atom transfer radical polymerization (ATRP). PS-PCDs were found to form specific toroidal architectures at low concentrations in CHCl3. To determine the influence of a more polar solvent medium (i.e., THF and THF/EtOH) on polymer aggregation behavior, a number of representative PS-PCD composites have been tested to show discrete concentration-dependent spherical particles. These fundamental studies are of practical interest to the development of experimental procedures for desirable architectures by directed self-assembly in thin film. These architectures may be exploited as drug carriers, whereas other morphological findings represent certain interest in the area of novel functional materials.

Here, we present a protocol to prepare and visualize secondary structures (e.g., fibers, toroidal architectures, and nano-spheres) derived from helical polycarbodiimides. The morphology characterized by both atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) was shown to depend on molecular structure, concentration, and the solvent of choice.

Selbstaufbau Morphologien Gewonnen aus Helical Polycarbodiimid-Copolymere und deren Triazolderivate

A facile method for the preparation of polycarbodiimide-based secondary structures (e.g., nano-rings, &#34;craters,&#34; fibers, looped fibers, fibrous ...

Grafting Multiwalled Carbon Nanotubes with Polystyrene to Enable Self-Assembly and Anisotropic Patchiness

We demonstrate a straightforward protocol to graft pristine multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) with polystyrene (PS) chains at the sidewalls through a free-radical polymerization strategy to enable the modulation of the nanotube surface properties and produce supramolecular self-assembly of the nanostructures. First, a selective hydroxylation of the pristine nanotubes through a biphasic catalytically mediated oxidation reaction creates superficially distributed reactive sites at the sidewalls. The latter reactive sites are subsequently modified with methacrylic moieties using a silylated methacrylic precursor to create polymerizable sites. Those polymerizable groups can address further polymerization of styrene to produce a hybrid nanomaterial containing PS chains grafted to the nanotube sidewalls. The polymer-graft content, amount of silylated methacrylic moieties introduced and hydroxylation modification of the nanotubes are identified and quantified by Thermogravimetric Analysis (TGA). The presence of reactive functional groups hydroxyl and silylated methacrylate are confirmed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). Polystyrene-grafted carbon nanotube solutions in tetrahydrofuran (THF) provide wall-to-wall collinearly self-assembled nanotubes when cast samples are analyzed by transmission electron microscopy (TEM). Those self-assemblies are not obtained when suitable blanks are similarly cast from analogous solutions containing non-grafted counterparts. Therefore, this method enables the modification of the nanotube anisotropic patchiness at the sidewalls which results into spontaneous auto-organization at the nanoscale.

A procedure for the synthesis of polystyrene-grafted multiwalled carbon nanotubes using successive chemical modification steps to selectively introduce the polymer chains to the sidewalls and their self-assembly via anisotropic patchiness is presented.

Pfropfen Multiwalled Carbon Nanotubes mit Polystyrol Selbstmontage ermöglichen und anisotropen führt

We demonstrate a straightforward protocol to graft pristine multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) with polystyrene (PS) chains at the sidewalls through a ...

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of flexible polymers nor of rigid rods. Underlying filaments remain outstretched due to their non-vanishing backbone stiffness, which is quantified via the persistence length (lp), but they are also subject to strong thermal fluctuations. Their finite bending stiffness leads to unique, non-trivial collective mechanics of bulk networks, enabling the formation of stable scaffolds at low volume fractions while providing large mesh sizes. This underlying principle is prevalent in nature (e.g., in cells or tissues), minimizing the high molecular content and thereby facilitating diffusive or active transport. Due to their biological implications and potential technological applications in biocompatible hydrogels, semiflexible polymers have been subject to considerable study. However, comprehensible investigations remained challenging since they relied on natural polymers, such as actin filaments, which are not freely tunable. Despite these limitations and due to the lack of synthetic, mechanically tunable, and semiflexible polymers, actin filaments were established as the common model system. A major limitation is that the central quantity lp cannot be freely tuned to study its impact on macroscopic bulk structures. This limitation was resolved by employing structurally programmable DNA nanotubes, enabling controlled alteration of the filament stiffness. They are formed through tile-based designs, where a discrete set of partially complementary strands hybridize in a ring structure with a discrete circumference. These rings feature sticky ends, enabling the effective polymerization into filaments several microns in length, and display similar polymerization kinetics as natural biopolymers. Due to their programmable mechanics, these tubes are versatile, novel tools to study the impact of lp on the single-molecule as well as the bulk scale. In contrast to actin filaments, they remain stable over weeks, without notable degeneration, and their handling is comparably straightforward.

Semiflexible polymers display unique mechanical properties that are extensively applied by living systems. However, systematic studies on biopolymers are limited since properties such as polymer rigidity are inaccessible. This manuscript describes how this limitation is circumvented by programmable DNA nanotubes, enabling experimental studies on the impact of filament rigidity.

DNA-Nanoröhren als ein vielseitiges Werkzeug, semiflexiblen Polymere zu studieren

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of ...

<meta charset="utf8"></head><body>Präzisions-DNAzyme-Nanomaschinen für die diskriminative RNA- und DNA-Analyse

DNAzyme 10-23 - Based Nanomachines for Nucleic Acid Recognition

DNAzyme-based nanomachines (DNM) for the detection of DNA and RNA sequences (analytes) are multifunctional structures made of oligonucleotides. Their functions include tight analyte binding, highly selective analyte recognition, fluorescent signal amplification by multiple catalytic cleavages of a fluorogenic reporter substrate, and fluorogenic substrate attraction for an increase in sensor response. Functional units are attached to a common DNA scaffold for their cooperative action. The RNA-cleaving 10-23 DNMs feature&#160;improved sensitivity in comparison with non-catalytic hybridization probes. The stability of the DNM and the increased chances of substrate recognition are provided&#160;by a double-stranded DNA fragment,&#160;a tile. DNM can differentiate two analytes with a single nucleotide difference in a folded RNA and a double-stranded DNA and detect analytes at concentrations ~1000 times lower than other protein-free hybridization probes. This article presents the concept behind the diagnostic potential of DNA-nanomachine activity and overviews DNM design, assembly, and application&#160;in nucleic acid detection assays.

<meta charset="utf8"></head><body>Autor im Rampenlicht: Fortschritte bei DNA-Nanosensoren – Bewältigung der Herausforderungen bei Empfindlichkeit und Selektivität beim molekularen Nachweis

The DNAzyme-based nanomachines can be used for highly selective and sensitive detection of nucleic acids. This article describes a detailed protocol for the design of DNAzyme-based nanomachines with a 10-23 core using free software and their application in the detection of an Epstein-Barr virus fragment as an example.

DNAzyme 10-23 - basierte Nanomaschinen zur Nukleinsäureerkennung

DNAzyme-based nanomachines (DNM) for the detection of DNA and RNA sequences (analytes) are multifunctional structures made of oligonucleotides. Their ...