물에 Supramolecular 폴리머의 크기, 모양과 안정성을 제어

요약

본 실험의 목적은 파악하고 물 속에 자기 조립 discotic amphiphiles의 크기, 모양과 안정성을 조절하는 것입니다. 수성 기반의 supramolecular 폴리머의 경우 제어와 같은 수준은 매우 어렵습니다. 우리는 반발하고 매력적인 상호 작용을 모두 사용하는 전략을 적용합니다. 이 시스템을 특성을 적용하여 실험적인 기법을 광범위하게 적용할 수 있습니다.

초록

수성 기반의 supramolecular 고분자의 경우, 모양, 크기 및 안정성 이상의 동시 제어는 ¹ 어렵습니다. 동시에, 그렇게 할 능력은 전자, 생물 의학 공학, 센서를 포함한 기능성 소프트 문제에 응용 프로그램의 수를보기에서 매우 중요하다. 일반적으로 템플릿 ^2,3, 최종 cappers ⁴ 또는 선택적 용매 기법 ^5의 사용에 초점 supramolecular 고분자의 크기와 모양을 조절하기 위해 과거 성공 전략.

여기 스택 길이와 명령, chiral 주상 집계의 형태 이상 통제로 연결 자기 조립 discotic amphiphiles을 바탕으로 전략을 공개. polymerizing 빌딩 블록의 소수성 코어 내에 친수성 가장자리와 매력적인 비 공유 결합 병력의 정전기 반발 작용을 균형함으로써, 우리는 작고 이산 구형 물체에게 ^6,7을 만들어 관리할 수 있습니다. Increa요금은 구형 - 투 -로드 전환을 유도 화면으로 소금 농도를 부릅니다. Intriguingly,이 전환은 온도 의존 자기 조립 메커니즘의 cooperativity의 증가로 표현되고, 더 안정적인 집계는 얻을 수있다.

우리의 연구에서 우리는 소수성, 플루오르 L-페닐알라닌 기반 스페이서 (제도 1)를 통해 친수성 금속 킬레이트에 연결된 벤젠-1 ,3,5-tricarboxamide (인지 BTA) 코어를 선택합니다. 선택된 금속 킬레이트는 복잡하고 반드시이 카운터 이온마다이 전체 남은 금액을 포함 GD (III)-DTPA 복합이다. 골재의 일차원 성장 π-π 스태킹 및 분자간 수소 결합에 의해 감독된다. 그러나 특정 크기에 도달하면 GD (III)-DTPA 복잡한 시작은인지 BTA 기반 discotic의 일차원적인 성장을 제한에 대한 요금에서 발생하는 정전기 반발 세력. millimolar 농도에서 형성된 집계가 sphe있다rical 모양과 같은 ¹ H-NMR 분광법, 작은 각도 X 선 산란 및 극저온 전송 전자 현미경 (cryo-TEM)에서 유추 약 5 nm의의 지름. 분자 사이의 정전기 반발 작용의 강도는 버퍼링 솔루션의 소금 농도를 높임으로써 줄일 수 있습니다. 요금이 심사는 길이> 25 nm의 가진 길쭉한 막대로 구형 집계에서 전환을 유도합니다. Cryo-TEM는 모양과 크기의 변화를 시각화 할 수 있습니다. 또한, CD 분광법은 소금뿐만 아니라 전후의 자기 조립 공정의 기계론의 세부 사항을 도출하도록 허용합니다. 중요한 것은 극적으로 정전 기적 상호 작용을 분석해시 고분자 - 증가 생산 supramolecular의 물리적 성질을 죽이는 cooperativity - 주요 기능. 물에 형성 supramolecular 고분자의 분자량에 크게 증가 cooperativity 결과의이 증가.

프로토콜

계획은 1. 빌딩 블록의 millimolar 농도에서 약 5 nm의의 직경을 보여주는 구형 집계에 구연산 완충액에서인지 BTA 기반 discotics의 자기 조립. 3시 경이 NM 및 길이> 25 nm의의 직경이 길쭉한 막대의 형성에 NaCl 결과 외에도하여 이온 강도를 높이면. 큰 그림을 보려면 여기를 누르십시오 .

1. NaCl 농도의 함수로서 온도 종속의 CD 스펙트럼의 CD 데이터 분광학 및 측정을위한인지 BTA-GD (III) DTPA 솔루션 준비

1. 100 밀리미터 구연산 완충액 (산도 6.0) 준비합니다.
2. 2 M NaCl과 100 밀리미터 구연산 완충액 (산도 6.0) 준비합니다.
3. 인지 BTA-GD (III) 100 밀리미터 구연산 버퍼, 10 ML에서 DTPA (MW = 3천1백84그램 • 몰 ^-1) T의 0.254 MG를 해산arget 농도 8 •인지 BTA-GD (III) DTPA 10 ^-3 음.
4. 15 분 솔루션을 Sonicate.
5. 솔루션 1cm 자외선 cuvet를 입력하고 230-350 nm의에서 CD 스펙트럼과 363에서 가장 높은 강도의 CD 밴드의 CD를 냉각 곡선 (예 : λ = 269 nm의) 측정 - 1 K 분 속도 283 K를 ^{- 1.}
6. M NaCl은 구연산으로 솔루션을 버퍼 2, 절반 농도에 discotics을 diluting 목표 농도 4 • 10 ^-3, 1 M NaCl로 이온 강도를 향상시키기 위해인지 BTA-GD (III) DTPA의 솔루션을 버퍼의 동일한 볼륨을 추가 인지 BTA-GD (III) DTPA의 음.
7. 15 분 증가 이온 강도와 소용돌이 솔루션입니다.
8. 한 한국 분 ^-1의 속도로 283 K - 230-350 nm의 및 363에서 가장 높은 강도의 CD 밴드의 CD를 냉각 곡선에서 CD 스펙트럼을 Remeasure.

2. T-의존을위한 모델로 T-의존 CD 데이터 있으엔트 셀프 어셈블리

1. 원시의 CD 데이터는 유래 8.5 및 표준에 수출되었다. 이것은 1 ~ 동급생으로 최저 측정된 온도에서 0으로 동등하게 최고 측정된 온도 및 CD 효과에 CD 효과를 정의하여 달성되었다. CD-효과의 크기는 집계 ⁸ 정도에 비례하기 때문에, 표준 CD-곡선은 집계의 정도에 비례합니다.
2. 정규화된 데이터는 반 데어 Schoot ^8,9에 의해 파생된 T-의존 자기 조립 모델을 사용 OriginPro 8.5에서 비선형 곡선 맞춤 옵션을 사용하여 장착되었습니다. 이 모델에서는 핵 및 연신율 정권은 구별된다. 먼저 신장 정권 (T E)에서 집계의 정도는 다음 방정식을 사용하여 장착되었습니다

위의 방정식은 (가변 온도, T, 그리고 aggr의 정도 옆에 포함되어 있습니다egation, Φ _n)이 세 개의 매개 변수, Φ _N / Φ _{토 그렇다} 있도록 도입 신장 H _전자, 연신율 온도 T _E (자기 조립이 시작되는 온도)와 매개 변수 Φ _토의 엔탈피 즉 집계의 정도가 화합을 초과할 수 없다는 제약 조건에서 다음과 단결을 초과할 수 없습니다.

피팅은 신장 H _E (J / 몰)과 주어진 농도에 대한 분자의 자기 조립 특성을 신장 온도 T _E (K)의 엔탈피를 렌더링. 때 피팅, 하나 구속은 방정식 2.1 연신율 정권에서만 유효하기 때문에 T는 _전자 이하의 온도에서 집계만을 학위, 장착해야한다는 어느 순종해야합니다.

그 다음에 집계의 실험적 발견 학위핵 체제는 다음 방정식을 사용하여 장착할 수 있습니다 :

즉 신장 H _전자, 연신율 온도 T _E와 매개 변수 Φ의 엔탈피는 _토, 위의 등식이 벌써 세번이 방정식 2.1 결정 중 네 개의 매개 변수 (T와 Φ _n은 변수 옆에있는)가 포함되어 있습니다. 오직 알 수없는 매개 변수 K는 가치를 설명하는 T _전자 상기 온도에 대한 집계의 실험적 발견 학위를 맞추 의해 발견되는 위상 핵의 cooperativity합니다.

3. 극저온 TEM을 통해 전송 전자 현미경 및 Supramolecular 폴리머의 시각화를위한인지 BTA-GD (III) DTPA 솔루션 준비

1. 100 밀리미터 구연산 완충액 (산도 6.0) 및 100 밀리미터 구연산 완충액 (산도 6.0) w 두 개의 버퍼를 준비합니다ith 5 M NaCl.
2. 0.318인지 BTA-GD (III)의 MG 준비된 버퍼 각각의 0.1 ML에 DTPA (MW = 3천1백84그램 • 몰 ^-1),인지 BTA-GD (III) DTPA의 목표 농도를 1 ㎜.를 해산
3. 극저온 TEM 용 샘플 vitrification은 자동 vitrification 로봇 (페이 Vitrobot 마크 III)를 사용하여 수행됩니다. CryoTEM 격자 (R2 / Quantifoil 마이크로 도구 게엠베하에서 2 Quantifoil 예나 격자)는 이전의 40 s에 대한 5mA에서 Cressington 208 탄소 coater 운영을 사용 vitrification 프로 시저로 처리 표면 플라즈마입니다. 수용액 그런 다음 자동화된 페이 Vitrobot의 vitrification 동안 그리드에 적용됩니다. 이것은 액체 에탄에 매우 신속하게 격자를 수영하여 그리드와 후속 vitrification에 수용액의 박막을 만드는 초과하는 액체가 모래 바닥, 그리드에 샘플의 응용을 포함한다. vitrification 후 샘플을 액체 질소에 보관되고 있으며 coole, 자동 로더 카세트에 수동으로 전송액체 질소로 디. 카세트 그런 다음 TEM의 자동 로더에 삽입됩니다. 이 모든 수동으로 이루어집니다.
4. cryoTEM 실험은 TU / e를 cryoTITAN (페이), (에서 수행됩니다 www.cryotem.nl ). TU / E cryoTITAN 300 kV에서 전계 방출 총 (FEG) 운영을 갖추고있다. 이미지 게시물 칼럼 Gatan 에너지 필터 (GIF)이 장착된 2K X 2K Gatan CCD 카메라를 사용하여 기록되었다.

4. 낮은 이오니아 강도의 원형 자체 조립인지 BTA-GD (III) DTPA ¹ H-NMR DOSY 측정

1. D ₂ O ( '산도 6.0)에서 D ₆ 호박산 버퍼 50 밀리미터를 준비하고, 버퍼에 1 M ND ₄ OD를 사용하여 6.0으로 산도를 조절하여 다음에, D ₂ O에서 D _6-succinic 산성을 해소하여 준비가되어 있습니다 D ₂ O를 50 MM 호박산의 최종 농도는 추가적인 _개발이 O.으로 조정되었습니다
2. GD (III)는 높은 상자 성체의이기 때문에¹ H 신호가 됨으로써 상당히 넓어 질 것이다 GD는 (III) Y (III)에 대체되었다.
3. 인지 BTA-Y (III) DTPA (MW = 2천9백79g • 몰 ^-1) 50 MM 1 ML에서 D ₂ O ( '산도 6.0'), 목표 농도의 D ₆ 호박산 버퍼 1 ㎜의 2.98 MG를 해산인지 BTA- Y (III) DTPA.
4. ¹ H-NMR DOSY 측정은 Varian에서 ID-PFG 프로브 5mm 장착된 Varian 일치 Inova 500 분광계를 실시하고 있습니다. DOSY 실험 DOSY 한 장면 (Doneshot, Varian) 펄스 시퀀스를 사용하여 수행되었다. 90도 펄스 깨물어 혼합 시간은 적절하게 적응할 수 있었다. (trimethylsilyl) 프로피-2, 2,3,3 - - 화학 교대는 3 화학 변화를 사용하여 참조된되었습니다 [D _4] 산 나트륨 염 (TMSP).
5. HDO의 자체 확산은 측정을 교정하는 데 사용되었다, 그것은 298 K에서 D ₂ O의 HDO의 자기 확산은 19.0 × 10-9미터 ^2입니다 것을 문학으로 알려져있다 • S ^-1. 참고로 D ₂ HDO의 자기 확산은 O는 VARIAN 2 Hz에서 D ₂ O 표준 샘플로 측정되었으며 그 표준 값으로 보정. 집계의 유체 역학적인 반지름 R _H를 계산하는 데 사용 모델은 구형 입자의 확산에 대한 스톡 - 아인슈타인 관계입니다.

5. 대표 결과

¹ H-NMR 및 DOSY인지 BTA-M (III)-DTPA에 SAXS 측정 : 구연산 완충액의 구형 물체

주변 GD (III) 단지의 이온 문자는 핵심 길쭉한 막대 모양의 합산으로 중합하기 위해 설계되었습니다 discotic 단량체의 일차원 성장에 좌절감을 소개합니다. 매력적이고 혐오스러운 상호 작용 사이의 균형은 크기와 합산 (계획 2)의 모양을 제어합니다.

계획 2.

크기와 용액의 입자의 모양을 결정하는 강력한 기술은 싱크로 트론 소스 작은 각도 X 선 산란 (SAXS)입니다. 인지 BTA-GD (III)-DTPA는 구연산 버퍼 용액에 용해되어 SAXS 프로파일이 기록과 지역 0.01 <0.1 ^-1에 장착되었다. 낮은 Q 영역 (Q <0.06 ^-1)에서 제로에 접근 경사가 구형 물체 (그림 1)의 존재를 제안, 골재의 형상 이방성 부족을 나타냅니다. 여러 농도에서 측정 데이터는 3.2 nm의 때문에, 계산 반경, R로 이어지는 균일한 monodisperse 구형 폼 팩터를 사용하여 장착되었습니다. monomeric discotic인지 BTA-GD (III)-DTPA의 계산 기하학 반경 가까운 1 화면 비율로 합산의 존재를 암시 3.0 nm의입니다.

그림 1. SAXS 프로파일 0.5의 구연산 완충액에서인지 BTA-GD (III)-DTPA (100 MM, 산도 6) 및 1.0 밀리미터 (위)입니다. 인지 BTA-Y의 DOSY NMR (III)-DTPA 50 밀리미터에서 1.0 밀리미터 (아래)에서 D ₆ 호박산 버퍼. 큰 그림을 보려면 여기를 누르십시오 .

자기 조립 객체의 구면 모양과 나노미터 크기에 대한 증거를 제공하기 위해, ¹ H를 수행 확산 - 주문한 NMR 분광법 ⁽¹ H-NMR DOSY) (그림 1). DOSY-NMR은 유체 반경이 (R _H) 계산할 수있는 집계의 확산 계수의 결정 수 있습니다. GD (III)가 높은 상자 성체의 ¹ H 신호이기 때문에이를 대폭 확대된 것입니다, 우리는 diamagnetic Y (III)에 GD (III)를 변경했습니다. 진정제를 맞았 호박산 버퍼의 총체적 diamagnetic discotic amphiphile의 확산 계수 (50 MM, 산도 6, C = 1 ㎜)는 0.69x10-10 평방 ^{미터의 -1} 것으로 결정되었다. 스톡스 - 아인슈타인 관계를 통해, 우리는 구면의 크기 이산 개체 (표 1)에 2.9 nm의의 유체 반경 R _H를 계산합니다. 이 크기는인지 BTA-GD (III)-DTPA에 대한 SAXS 데이터로부터 얻은 값을 갖는 우수한 계약이다.

인지 BTA-M (III)-DTPA [MM]	D t [10 -10 평의 -1]	R H [NM]는	R B [NM]는
일	0.69	2.9	3.2

DOSY에서, SAXS에서 ^B

인지 BTA-M (III)-DTPA를위한 SAXS 및 DOSY 측정 표 1. 결과.

인지 BTA-GD에서 Cryo-TEM (III)-DTPA : 구형 물체에서 길쭉한 nanorods로

일차원 스택의 길이 이상의 성공적인 관리에 대한 증거는 cryo-TEM의 micrographs로부터 얻은 것입니다. 수성 솔루션의 vitrification 때문에 극저온 TEM은 자기 조립 집계의 구조 형태를 보존하고 기존의 TEM 샘플 준비에 관한 영향을 건조. 그림 2 건 (왼쪽)은인지 BTA-GD (III)-DTPA가 예상 구면을 생산 보여줍 방지 지름과 객체 SAXS 및 DOSY 측정에서 결과를 확인 1 ㎜ 농도,에서 가까운 ~ 6 nm의. 이러한 연구 결과에 따르면, 우리는 돌기 macromolecules의 supramolecular 상응하는 ¹⁰ 간주될 수있는 자기 조립 이산 개체를 얻을 수 있었다.

. 그림 2인지 BTA-GD을위한 Cryo-TEM 이미지 (III)-DTPA 구연산 완충액에서 298 K (100 MM, 산도 6)에서 vitrified (왼쪽) 1 ㎜, 눈금 막대는 50 nm의를 나타냅니다;(오른쪽) 1 ㎜는 298 구연산 버퍼에서 K (100 MM, 산도 6) 5의 전반적인 NaCl 농도 M에서 vitrified, 규모가 막대는 50 nm의를 나타냅니다.

지금까지 우리는 낮은 이온 강도의 버퍼 솔루션에서 근무했습니다. 주변 기기의 정전기 반발 세력인지 BTA-GD (III)-DTPA는 좌절 일차원적인 성장의 기원에있다에 M (III)-DTPA의 단지를 부과하는 경우에는, 우리는 기대 즉, 버퍼 환경의 이온 강도를 증가 자기 조립 객체의 다른 종류의 따라서 정전 기적 상호 작용을 줄이고, 매우 충분 counterions으로 불활성 1시 1분 소금을해야 사용이 형성되어야합니다. 5 M NaCl로 구성된 구연산 완충액에서이 효과가 실제로 (그림 2, 오른쪽) 관찰되었다. 높은 비율의 형성 supramolecular 고분자 막대 모양의 명확하게 높은 이온 강도에서 cryo-TEM의 micrographs에서 관찰된다. 정전 선별​​은이 조사에 대한 가능성이 높습 설명입니다. sphe의 모양 변경6 NM 및 최대 수백 나노미터까지 길이의 직경이 길쭉한 막대에 직경 6 nm의 주위의 rical 집계.

인지 BTA-GD (III)-DTPA의 CD 측정 : 이온 강도를 높임으로써 자기 조립 협력으로 전환

원형 dichroism (CD) 분광법은 왼손잡이와 오른손잡이 circularly 편광 사이의 흡수의 차이를 측정합니다. 헬리컬 객체가 선호하는 헬리컬 감각이 있습니다 왼쪽을 마우스 오른쪽 손으로 circularly 편광이 따라서 CD-효과 상승을주는 다른 extents에 흡수 메시지가 나타납니다. 분자간 수소 채권은 집계 내에서 연속인지 BTA-GD (III)-DTPA 사이에 형성 이후, 나선형 방식으로 줄을와 L-페닐알라닌 잔기에서 stereogenic 센터가 다른 한 발은 헬리컬 감각을 선호하고, 우리는 분명 CD를 기대 인지 BTA-GD (III)-DTPA 기반 집계 ^11,12의 스펙트럼. 또한, 온도 의존의 CD 분광법은 강력하다인지 BTA-GD의 자기 조립 메커니즘 (III)-DTPA의 polymerisation을 평가하고하는 도구가 형성 집계 ¹³ 안정성에 결론을 도출 할 수 있습니다.

예를 들어,인지 BTA-GD의 실내 온도의 CD 스펙트럼 (III)-DTPA 증가 염분 농도 (1.0 M NaCl 0으로 M NaCl)과은 (100 밀리미터 구연산 완충액에서 8x10과 ^-3 mm 또는 4x10 ^-3 ㎜)가 부여됩니다 그림 3A 인치 상당히 낮은 농도가 CD 측정 적용되지만 명확한 코튼 효과도 micromolar 농도에서 그대로 합산의 존재를 나타냅니다. 스택 및 discotics를 더 잘 포장의 주변에서 낮은 상호 작용에 대한 좋은 표시이다 소금 농도를 증가시의 CD 스펙트럼 변화의 모양. 또한, 동일한 솔루션 (363-283 K, λ에서 측정 = 269 또는 278 nm의)의 CD 냉각 곡선 모양의 독특한 차이 (그림 3B)를 보여줍니다. AP부모 T는 집계가 높은 소금 농도와 CD-유효한 많은 돌발 상승을 특징으로 점차 협력 메커니즘의 높은 온도로 시작-옮겨 보겠습니다되는 _온라인 온도는 명백한됩니다. 0 M NaCl의 냉각 곡선은 최고 isodesmic 자기 조립 공정에 의해 설명하는 반면, 1.0 M NaCl의 냉각 곡선은 협동자가 조립 공정 ¹⁴ 전형이다. 전자의 경우, 모든 협회 상수가 후자의 경우에 자기 조립은 적어도 두 개의 별개의 단계에서 발생하는 동안 동일한 것으로 간주됩니다. 첫 번째 단계에서 "핵"은 energetically 매우 호의적입니다 형성해야합니다. 중요한 중합 온도 이하로 냉각 후 높은 분자량의 supramolecular 폴리머로 연신율과 기하 급수적인 성장은 다음과 같습니다. 협력 모델을 사용인지 BTA-GD의 자기 조립 (III)-DTPA 0과 1 M NaCl의 열역학적 파라미터를 Quantifying 것은 분명 K의 감소를 보여 <⁸ 상수 무차 활성화는 서브>. K에 대한 낮은 값 등 cryo-TEM에서 관찰 매우 길쭉한 supramolecular 폴리머의 형성으로 표현되는 자기 조립 공정에서 cooperativity의 높은 수준을 나타냅니다.

인지 BTA-GD (III)-DTPA	C NaCl	K
8 x10 -3 MM	0 M	5 10 -2
4 x10 -3 MM	1 M	-4 1 10

표 2. K로 표현 cooperativity의 정도인지 BTA-GD의 온도 의존자가 조립 (III)-DTPA NaCl 농도 (C _NaCl)의 함수로에서.

그림 3.인지 BTA-G100 밀리미터 구연산 완충액 (높은 이온 강도에서 낮은 이온 강도 및 4 x10 ^-3 MM에서 C = 8 x10 ^-3 ㎜) 이온 강도의 함수로 293 K에서 기록된]의 CD 스펙트럼의 D (III)-DTPA , C _NaCl = 0 M - 1.0 M, 어금니 ellipticity의 Δε는 다음과 같이 계산됩니다 Δε = CD-효과 / (cxl)있는 C는 몰 L ^-1의인지 BTA의 농도이고 난 cm의 광학 경로 길이입니다 ; B λ에서 측정] 대응의 CD 냉각 곡선은 0 M NaCl 및 1 M NaCl 솔루션에 대한 278 nm의 용 = 269 nm의은 NaCl 농도의 함수가 C _NaCl = 0 M과 같은 집합 Φ _N 정도로 표현 - 1.0 M, Φ _N은 CD-효과를 최대한 의해 CD-효과 측정을 나누어 계산됩니다.

토론

GD (III)-DTPA 복잡한을 포함하는이 기부금에서 언급한 자기 조립 discotic amphiphiles는 조정할 수 배설 시간과 높은 콘트라스트를 결합하여 새로운 자기 공명 영상 (MRI) 요원은 조사를 받고 현재. 따라서 ^{15 일,} 그들의 세부 사항 자체 서로 다른 조건에서 동작과 안정성을 조립하는 것은 매우 중요합니다. spectroscopic의 조합 (CD 및 NMR), 산란 (SAXS)과 현미경 (cryo-TEM) 기술이 형성된 구조의 시각화와 그 열역학적 매개 변수의 부량 수 있습니다. 기술의이 조합은 일반적으로 연구 시스템의 우대 헬리컬 감각있는 한은 자기 조립 분자에 대한 적용하면 왼쪽 및 오른쪽 손으로 circularly 편광의 흡수에 차이가 있습니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
시약 / 장비의 명칭	회사	카탈로그 번호	댓글
인지 BTA-GD (III)-DTPA			자체 제작
인지 BTA-Y (III)-DTPA			자체 제작
CD 분광법	Jasco	Jasco J-815 spectropolarimeter
NMR	Varian	Varian 일치 Inova 500 분광계	Varian의 5-mm ID-PFG 프로브
cryo-TEM	페이	cryoTITAN TEM
SAXS	그르노블, 프랑스의 유럽 Synchotron 방사선 시설 (ESRF)에서 네덜란드 - 벨기에 beamline (BM26B)