Name: high resolution physical characterization of single metallic nanoparticles
Uploaded: 2019-06-28T11:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about High Resolution Physical Characterization of Single Metallic Nanoparticles at JoVE.com

Vi är tacksamma för ekonomiskt stöd från den Europeiska Molekylärbiologi organisationen för en postdoktor gemenskap (till J.E.) och ett bidrag från NIH NHGRI (till J.J.K.). Vi uppskattar hjälp av professorer Jingyue ju och Sergey Kalachikov (Columbia University) för att ge heptameric αHL, och för inspirerande diskussioner med professor Joseph Reiner (Virginia Commonwealth University).

Anmärkning: Protokollet nedan är specifikt för den elektroniska biovetenskaper (EBS) Nanopatch DC-system. Emellertid, det kan lätt anpassas till andra elektrofysiologi apparat som används för att mäta strömmen genom plana lipidbilayer membran (standard lipidbilayer membran kammare, U-rör geometri, drog mikrokapillärer, etc.). Identifieringen av kommersiellt material och deras källor ges för att beskriva de experimentella resultaten. I inget fall innebär detta identifiering antyder r...

<ol>
	<li>Ettedgui, J., Kasianowicz, J. J., Balijepalli, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+molecule+discrimination+of+heteropolytungstates+and+their+Isomers+in+solution+with+a+nanometer-scale+pore.">Single molecule discrimination of heteropolytungstates and their Isomers in solution with a nanometer-scale pore.</a> Journal of the American Chemical Society. 138 (23), 7228-7231 (2016).</li><li>Bezrukov, S., Kasianowicz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+noise+reveals+protonation+kinetics+and+number+of+ionizable+sites+in+an+open+protein+ion+channel.">Current noise reveals protonation kinetics and number of ionizable sites in an open protein ion channel.</a> Physical Review Letters. 70 (15), 2352-2355 (1993).</li><li>Kasianowicz, J. J., Bezrukov, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protonation+dynamics+of+the+alpha-toxin+ion+channel+from+spectral+analysis+of+pH-dependent+current+fluctuations.">Protonation dynamics of the alpha-toxin ion channel from spectral analysis of pH-dependent current fluctuations.</a> Biophysj. 69 (1), 94-105 (1995).</li><li>Please, T. R., Ayub, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid-State+Nanopore.">Solid-State Nanopore.</a> Engineered Nanopores for Bioanalytical Applications. , 121-140 (2013).</li><li>Dekker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid-state+nanopores.">Solid-state nanopores.</a> Nature Nanotechnology. 2 (4), 209-215 (2007).</li><li>Kasianowicz, J. J., Brandin, E., Branton, D., Deamer, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+individual+polynucleotide+molecules+using+a+membrane+channel.">Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (24), 13770-13773 (1996).</li><li>Akeson, M., 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=Microsecond+time-scale+discrimination+among+polycytidylic+acid,+polyadenylic+acid,+and+polyuridylic+acid+as+homopolymers+or+as+segments+within+single+RNA+molecules.">Microsecond time-scale discrimination among polycytidylic acid, polyadenylic acid, and polyuridylic acid as homopolymers or as segments within single RNA molecules.</a> Biophysical Journal. 77 (6), 3227-3233 (1999).</li><li>Singer, A., Meller, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanopore-based+Sensing+of+Individual+Nucleic+Acid+Complexes.">Nanopore-based Sensing of Individual Nucleic Acid Complexes.</a> Israel Journal of Chemistry. 49 (3-4), 323-331 (2010).</li><li>Jin, Q., Fleming, A. M., Burrows, C. J., White, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unzipping+kinetics+of+duplex+DNA+containing+oxidized+lesions+in+an+&#945;-hemolysin+nanopore.">Unzipping kinetics of duplex DNA containing oxidized lesions in an &#945;-hemolysin nanopore.</a> Journal of the American Chemical Society. 134 (26), 11006-11011 (2012).</li><li>Halverson, K. M., 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=Anthrax+biosensor,+protective+antigen+ion+channel+asymmetric+blockade.">Anthrax biosensor, protective antigen ion channel asymmetric blockade.</a> Journal of Biological Chemistry. 280 (40), 34056-34062 (2005).</li><li>Oukhaled, 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=Unfolding+of+proteins+and+long+transient+conformations+detected+by+single+nanopore+recording.">Unfolding of proteins and long transient conformations detected by single nanopore recording.</a> Physical Review Letters. 98 (15), 158101 (2007).</li><li>Reiner, J. E., Kasianowicz, J. J., Nablo, B. J., Robertson, J. W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theory+for+polymer+analysis+using+nanopore-based+single-molecule+mass+spectrometry.">Theory for polymer analysis using nanopore-based single-molecule mass spectrometry.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (27), 12080-12085 (2010).</li><li>Robertson, J. W. F., 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=Single-molecule+mass+spectrometry+in+solution+using+a+solitary+nanopore.">Single-molecule mass spectrometry in solution using a solitary nanopore.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 104 (20), 8207-8211 (2007).</li><li>Baaken, G., Ankri, N., Schuler, A. -. K., R&#252;he, J., Behrends, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanopore-based+single-molecule+mass+spectrometry+on+a+lipid+membrane+microarray.">Nanopore-based single-molecule mass spectrometry on a lipid membrane microarray.</a> ACS Nano. 5 (10), 8080-8088 (2011).</li><li>Angevine, C. E., Chavis, A. E., Kothalawala, N., Dass, A., Reiner, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+single+molecule+mass+spectrometry+via+charged+metallic+clusters.">Enhanced single molecule mass spectrometry via charged metallic clusters.</a> Analytical Chemistry. 86 (22), 11077-11085 (2014).</li><li>Astier, Y., Uzun, O., Stellacci, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophysiological+study+of+single+gold+nanoparticle/alpha-Hemolysin+complex+formation:+a+nanotool+to+slow+down+ssDNA+through+the+alpha-Hemolysin+nanopore.">Electrophysiological study of single gold nanoparticle/alpha-Hemolysin complex formation: a nanotool to slow down ssDNA through the alpha-Hemolysin nanopore.</a> Small. 5 (11), 1273-1278 (2009).</li><li>Chavis, A. E., Brady, K. T., Kothalawala, N., Reiner, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Voltage+and+blockade+state+optimization+of+cluster-enhanced+nanopore+spectrometry.">Voltage and blockade state optimization of cluster-enhanced nanopore spectrometry.</a> Analyst. 140 (22), 7718-7725 (2015).</li><li>Campos, E., 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=Sensing+single+mixed-monolayer+protected+gold+nanoparticles+by+the+&#945;-hemolysin+nanopore.">Sensing single mixed-monolayer protected gold nanoparticles by the &#945;-hemolysin nanopore.</a> Analytical Chemistry. 85 (21), 10149-10158 (2013).</li><li>Campos, E., 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=The+role+of+Lys147+in+the+interaction+between+MPSA-gold+nanoparticles+and+the+&#945;-hemolysin+nanopore.">The role of Lys147 in the interaction between MPSA-gold nanoparticles and the &#945;-hemolysin nanopore.</a> Langmuir. 28 (44), 15643-15650 (2012).</li><li>Baaken, 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=High-Resolution+Size-Discrimination+of+Single+Nonionic+Synthetic+Polymers+with+a+Highly+Charged+Biological+Nanopore.">High-Resolution Size-Discrimination of Single Nonionic Synthetic Polymers with a Highly Charged Biological Nanopore.</a> ACS Nano. 9 (6), 6443-6449 (2015).</li><li>Berzelius, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Beitrag+zur+n&#228;heren+Kenntniss+des+Molybd&#228;ns.">Beitrag zur n&#228;heren Kenntniss des Molybd&#228;ns.</a> Annalen Der Physik. 82 (1), 369-392 (1826).</li><li>Long, D. -. L., Burkholder, E., Cronin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polyoxometalate+clusters,+nanostructures+and+materials:+from+self+assembly+to+designer+materials+and+devices.">Polyoxometalate clusters, nanostructures and materials: from self assembly to designer materials and devices.</a> Chemical Society Reviews. 36 (1), 105-121 (2007).</li><li>Muller, A., 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=Polyoxovanadates:+High-nuclearity+spin+clusters+with+interesting+host-guest+systems+and+different+electron+populations.+Synthesis,+spin+organization,+magnetochemistry,+and+spectroscopic+studies.">Polyoxovanadates: High-nuclearity spin clusters with interesting host-guest systems and different electron populations. Synthesis, spin organization, magnetochemistry, and spectroscopic studies.</a> Inorganic Chemistry. 36 (23), 5239-5250 (1997).</li><li>Rausch, B., Symes, M. D., Chisholm, G., Cronin, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Decoupled+catalytic+hydrogen+evolution+from+a+molecular+metal+oxide+redox+mediator+in+water+splitting.">Decoupled catalytic hydrogen evolution from a molecular metal oxide redox mediator in water splitting.</a> Science. 345 (6202), 1326-1330 (2014).</li><li>Dolbecq, A., Dumas, E., Mayer, C. R., Mialane, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+organic-inorganic+polyoxometalate+compounds:+from+structural+diversity+to+applications.">Hybrid organic-inorganic polyoxometalate compounds: from structural diversity to applications.</a> Chemical Reviews. 110 (10), 6009-6048 (2010).</li><li>Busche, C., 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=Design+and+fabrication+of+memory+devices+based+on+nanoscale+polyoxometalate+clusters.">Design and fabrication of memory devices based on nanoscale polyoxometalate clusters.</a> Nature. 515 (7528), 545-549 (2014).</li><li>Pope, M., M&#252;ller, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Polyoxometalates: From Platonic Solids to Anti-Retroviral Activity. 10, (2012).</li><li>Rhule, J. T., Hill, C. L., Judd, D. A., Schinazi, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polyoxometalates+in+medicine.">Polyoxometalates in medicine.</a> Chemical Reviews. 98 (1), 327-358 (1998).</li><li>Gao, N., 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=Transition-metal-substituted+polyoxometalate+derivatives+as+functional+anti-amyloid+agents+for+Alzheimer's+disease.">Transition-metal-substituted polyoxometalate derivatives as functional anti-amyloid agents for Alzheimer's disease.</a> Nature Communications. 5, 3422 (2014).</li><li>Pope, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Heteropoly and Isopoly Oxometalates. 8, (1983).</li><li>Braha, O., 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=Designed+protein+pores+as+components+for+biosensors.">Designed protein pores as components for biosensors.</a> Chemistry &amp; Biology. 4 (7), 497-505 (1997).</li><li>Forstater, J. H., 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=MOSAIC:+A+modular+single-molecule+analysis+interface+for+decoding+multistate+nanopore+data.">MOSAIC: A modular single-molecule analysis interface for decoding multistate nanopore data.</a> Analytical Chemistry. 88 (23), 11900-11907 (2016).</li><li>Balijepalli, A., 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=Quantifying+Short-Lived+Events+in+Multistate+Ionic+Current+Measurements.">Quantifying Short-Lived Events in Multistate Ionic Current Measurements.</a> ACS Nano. 8, 1547-1553 (2014).</li><li>Misakian, M. M., Kasianowicz, J. J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatic+influence+on+ion+transport+through+the+alphaHL+channel.">Electrostatic influence on ion transport through the alphaHL channel.</a> Journal of Membrane Biology. 195 (3), 137-146 (2003).</li><li>Piguet, F., 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=Identification+of+single+amino+acid+differences+in+uniformly+charged+homopolymeric+peptides+with+aerolysin+nanopore.">Identification of single amino acid differences in uniformly charged homopolymeric peptides with aerolysin nanopore.</a> Nature Communication. 9 (966), (2018).</li></ol>

På grund av deras anjoniska laddning, POMs sannolikt förknippar med organiska räknare cations genom elektrostatiska interaktioner. Därför är det viktigt att identifiera rätt lösnings förhållanden och rätt elektrolytmiljöer (särskilt katjoner i lösning) för att undvika komplexbildning med POMs. Särskild försiktighet krävs vid buffertvalet. Till exempel är fångst takten för POMs med tris (hydroximetyl) aminometan och citronsyra-buffrade lösningar betydligt lägre än i fosfatbuffrad lösning, troligen...

Detektera biomolekylära analyter på den enda molekylnivå kan utföras med hjälp av nanoporer och mäta Joniska nuvarande modulationer. Typiskt, nanoporer är indelade i två kategorier baserat på deras tillverkning: biologisk (självmonterad från protein eller DNA origami)1,2,3, eller solid-state (t. ex., tillverkas med verktyg för halvledar bearbetning)4,5. Medan solid-state nanoporer föreslogs som potentiellt mer fysiskt robust och kan användas över ett brett spektrum av lösnings villkor, protein nanoporer hittills erbjuder större känslighet, mer motstånd mot nedsmutsning, större bandbredd, bättre kemisk selektivitet och ett större signal-brus-förhållande.
En mängd olika protein jonkanaler, såsom den som bildas av Staphylococcus aureus α-gemolizinovoj (αhl), kan användas för att detektera enstaka molekyler, inklusive joner (t. ex.,H + och D+)2,3, polynukleotider (DNA och RNA)6,7,8, skadat DNA9, polypeptider10, proteiner (vikta och ovikt)11, polymerer (polyetylenglykol och andra)12,13 , 14, Guldnanopartiklar15,16,17,18,19och andra syntetiska molekyler20.
Vi har nyligen visat att αHL nanopore också lätt kan detektera och karakterisera metalliska kluster, polyoxometalater (POMs), på den enda molekylnivån. POMs är diskreta nanoskala anjonisk metall syre kluster som upptäcktes 182621, och sedan dess har många fler typer syntetiserats. De olika storlekarna, strukturerna och elementarkompositionerna av polyoxometalater som nu finns tillgängliga ledde till ett brett spektrum av egenskaper och tillämpningar, inklusive kemi22,23, katalys24, materialvetenskap25 ,26, och biomedicinsk forskning27,28,29.
POM-syntes är en själv monteringsprocess som normalt utförs i vatten genom att blanda de stoichiometriskt erforderliga mängderna monomermetallsalter. När bildas, POMs uppvisar en stor mångfald av storlekar och former. Till exempel, Keggin polyanion struktur, XM12O40q- består av en heteroatom (X) omgiven av fyra oxygener för att bilda en tetraeder (q är avgiften). Heteroatomen är centralt placerad i en bur som bildas av 12 oktaedriska Mo6 enheter (där M = övergången metaller i deras höga Oxidationstillstånd), som är kopplade till varandra genom angränsande gemensamma syreatomer. Medan volfram polyoxometalates struktur är stabil i sura förhållanden, hydroxidjoner leda till hydrolytisk klyvning av metall-syre (M-O) obligationer30. Denna komplexa process resulterar i förlusten av en eller flera Mo6 oktaedriska subunits, vilket leder till bildandet av monoledig och triledig arter och så småningom till fullständig nedbrytning av poms. Vår diskussion här kommer att begränsas till de partiella sönderdelningsprodukter av 12-fosfotungstic syra vid pH 5,5 och 7,5.
Målet med detta protokoll är att detektera diskreta metall syre kluster vid den enda molekyl gränsen med hjälp av en biologisk nanopore-baserad elektronisk plattform. Denna metod gör det möjligt att upptäcka metalliska kluster i lösning. Flera arter i lösning kan diskrimineras med större känslighet än konventionella analysmetoder33. Med det kan subtila skillnader i POM struktur klarläggas, och vid koncentrationer markant lägre än de som krävs för NMR spektroskopi. Viktigare är att detta tillvägagångssätt även tillåter diskriminering av isomeriska former av na8HPW9O341.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Nanopatch DC System</td>
			<td>Electronic Biosciences, Inc., EBS</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Millipore LC-PAK</td>
			<td>Millipore vacuum filter</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1,2-Diphytanoyl-sn- Glycero-3-Phosphocholine (DPhPC)</td>
			<td>Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL</td>
			<td>850356P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Decane, ReagentPlus, &#8805;99%,</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D901</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>&#945;HL</td>
			<td>List Biological Laboratories, Campbell, CA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ag wire</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2 mm Ag/AgCl disk electrode</td>
			<td>In Vivo Metric</td>
			<td>E202</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-impedance amplifier system</td>
			<td>Electronic Biosciences, San Diego, CA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>quartz capillaries</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>custom polycarbonate test cell</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Processing and Analysis MOSAIC</td>
			<td>https://pages.nist.gov/mosaic/</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphotungstic acid hydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>455970</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Chloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S3014</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sodium phosphate monobasic monohydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>71507</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high resolution physical characterization of single metallic nanoparticles

Enskilda molekyler kan upptäckas och kännetecknas genom att mäta graden av vilken de minskar den joniska strömmen flyter genom en enda nanometer skala por. Signalen är karakteristisk för molekylers fysikalisk-kemiska egenskaper och dess interaktioner med por. Vi visar att nanopore bildas av bakteriell protein exotoxin Staphylococcus aureus alfa gemolizinovoj (αhl) kan detektera polyoxometalates (poms, anjon metall syre kluster), vid den enda molekyl gränsen. Dessutom mäts samtidigt flera nedbrytningsprodukter av 12-fosfotungstic Acid POM (PTA, H3PW12O40) i lösningen. Nanopore-metodens enda molekyl känslighet gör det möjligt för POMs att kännetecknas av betydligt lägre koncentrationer än vad som krävs för kärnmagnetisk resonans (NMR)-spektroskopi. Denna teknik kan fungera som ett nytt verktyg för kemister att studera de molekylära egenskaperna hos polyoxometalater eller andra metalliska kluster, för att bättre förstå POM syntetiska processer, och möjligen förbättra deras avkastning. Hypotetiskt, placeringen av en given Atom, eller rotation av ett fragment i molekylen, och metalloxidations tillståndet kunde undersökas med denna metod. Dessutom har denna nya teknik fördelen av att tillåta realtidsövervakning av molekyler i lösning.

Under de senaste två decennierna, membran-bundet protein nanometer-skala porer har visats som mångsidig Single-molekyl sensorer. Nanopore-baserade mätningar är relativt enkla att utföra.  Två kammare fyllda med elektrolytlösning separeras av en nanopore inbäddad i ett elektriskt isolerande Lipidmembran. Antingen en patch-klämma förstärkare eller en extern strömförsörjning ger en elektrostatisk potential över nanopore via AG/AgCl elektroder nedsänkt i elektrolytre...

Watch this Scientific Journal Video about High Resolution Physical Characterization of Single Metallic Nanoparticles at JoVE.com

High Resolution Physical Characterization of Single Metallic Nanoparticles

Här presenterar vi ett protokoll för att detektera diskreta metall syre kluster, polyoxometalater (POMs), vid den enda molekyl gränsen med hjälp av en biologisk nanopore-baserad elektronisk plattform. Metoden ger ett kompletterande förhållningssätt till traditionella analytiska kemi verktyg som används vid studiet av dessa molekyler.

Högupplöst fysikalisk karakterisering av enstaka metalliska nanopartiklar

Individual molecules can be detected and characterized by measuring the degree by which they reduce the ionic current flowing through a single ...

Denna nanoporebaserade detektionsmetod har visat potentialen att fysiskt karakterisera och identifiera enskilda molekyler. Att arbeta med metallo-nanopartiklar, som är syftet med den här videon, utmanar vår förståelse av vad som begränsar mätningens noggrannhet och precision. Den största fördelen med denna teknik är att denna apparat har större bandbredd än traditionella lipid bilayer minne set-up, som låter oss se snabbare resultat och fler reaktioner i nanopore.Denna teknik möjliggjordes eftersom det i början av 1990-talet visades att gating i protein nanoporer, det vill säga växling mellan olika tillstånd, kan kontrolleras och molekyler kan binda till porväggen. Denna teknik utvecklas för kommersiella DNA-sekvensering applikationer eftersom den använder minimala prover. Det kräver inte fluorescerande etiketter och använder mycket längre läslängder än konventionella metoder gör.Denna teknik har också utvecklats för att diskriminera mellan polymerer baserat på deras storlek med större noggrannhet och hastighet än gelelektrofores och kromatografi. Först förbereda 500 milliliter av en lösning av en-molar natriumklorid och 10-millimolar monosodiumfosfat i ultrarent vatten som elektrolyten. Det är bäst att använda färska lösningar och prover med just denna uppsättning.Dessutom fann vi att högkvalitativt avjoniserat vatten är mycket viktigt för att framgångsrikt bilda membran. Därefter kombinera en milligram lyophilized vild-typ monomeric S.aureus alfa hemolysin pulver med en milliliter ultrarent vatten. Glöm inte att arbeta med Staph aureus alfa hemolysin toxin protein kan vara farligt.Följ försiktighetsåtgärderna i MSDS när du utför den här proceduren. Därefter, förbereda fyra milliliter av fem milligram per milliliter DPhyPC i endecaine i ett glas scintillation injektionsflaska. Kapa injektionsflaskan med en polytetrafluoretenfodrad mössa och förvara den i fyra grader Celsius i upp till en månad.Efter det, lös 57,6 milligram 12-fosfotungstic syra hydrat i 10 milliliter av elektrolyten för att göra en två-millimolar polyoxometalate lösning. Dela upp POM-lösningen i två fem-milliliter portioner. Använd tre-molar natriumhydroxid för att justera pH-värdet för en POM-lösning till 5.5.För att börja förbereda för testet, montera testcellen av en planar lipid bilayer elektrofysiologi apparatur. Först, abrade en silvertråd med 600-grit sandpapper och blötlägg den i kommersiellt tillgängliga natriumhypoklorit-baserade blekmedel i 10 minuter för att göra silver-silverklorid tråd elektrod. Skölj och torka trådelektroden innan den förs in i apparatens kvartskaj.Håll elektroden inuti kvarts-nanopore membranet, eller QNM, separera kapillären och reservoaren. Placera sedan en cylindrisk silver-silverklorid pelletelektrod monterad på en silvertråd i reservoaren. Anslut båda elektroderna till förstärkarens kretskort.Därefter öppnar du dataanskaffningsprogrammet och startar strömförsörjningen vid noll millivolt. Bekräfta att ingen DC-ström detekteras mellan elektroderna i den tomma cellen. Under denna demonstration är det viktigt att se hur transkapillärtrycket kan påverka membranbildning och efterföljande nanoporebildning.Utan att göra dessa två steg korrekt, kommer experimenten inte att fungera. Lasta in cirka en milliliter elektrolyt i en spruta och anslut den till vätskeledningen som är ansluten till reservoaren. Tillsätt elektrolyt till reservoaren tills QNM:s ansikte är nedsänkt, vilket indikeras av jonströmmen mellan elektroderna som mättar förstärkaren.Om förstärkaren inte mätta, oktäppa QNM genom att applicera en popspänning på plus eller minus en volt eller öka kapillärtrycket med ca 300 millimeter kvicksilver. Använd båda teknikerna vid behov. När förstärkaren mättat, dra tillbaka elektrolyt från reservoaren tills lösningen nivåer sjunker under QNM, som anges av den nuvarande återgår till noll.För att börja lipid bilayer bildningsprocessen, höja elektrolytlösningen nivå långt över ansiktet på QNM och notera om hur mycket lösning som tog. Doppa sedan en 10-mikroliter pipettspets i DPHyPC-lösningen och dra alla synliga lipid i spetsen. Rör pipettens spets till elektrolytlösningens yta och låt lipiden flöda från pipetten över luft-vattengränssnittet.Vänta två till fem minuter för lipid att sprida sig enhetligt över lösningen. Därefter dra långsamt tillbaka elektrolyten tills lösningens yta är under QNM och sedan långsamt lägga till tillräckligt med elektrolyt för att höja lösningen ovanför QNM för att bilda den isolerande lipid bilayer membran. Om bilayer inte bildas efter tre försök, tillämpa en annan del av lipid som tidigare beskrivits och upprepa processen.När bilayer verkar ha bildats, öka trycket till kapillären att pop bilayer och sedan reformera den genom att sakta sänka och höja lösningsnivå på samma sätt som tidigare. Upprepa denna process flera gånger för att säkerställa att QNM inte är igensatt och en bilayer har bildats. Nästa, tina en alikvot av alfa hemolysin protein på is eller vid rumstemperatur.Fyll reservoaren med 250 nanogram av monomeriskt alfa hemolysinprotein och cirka 250 mikroliter ultrarent vatten. Sedan, tillämpa en 200 till 400 millivolt bias att inducera porbildning. För att underlätta porbildningen, öka kapillärtrycket med 40 till 200 millimeter kvicksilver för att expandera bilayern från QNM.När en nanopore bildas, minska den tillämpade bias till mätspänningen och minska trycket till ungefär hälften av insättningstrycket. För att påbörja testet, justera dc-offset spänningen för att säkerställa att det inte finns någon uppmätt ström när den tillämpade potentialen är inställd på noll. Därefter förvärva en jonisk nuvarande spår för en tillämpad potential på 120 till negativa 120 millivolt i förhållande till reservoaren.Bekräfta att det inte finns några föroreningar, vilket skulle anges genom spontana strömblockader. Lägg till en till sex mikroliter pH 5,5 två millimolar POM klusterlösning till reservoaren. Applicera joniska aktuella tidsseriemätningar vid en tillämpad spänning på minus 120 millivolt.Förflyttning av enskilda anjoniska fosfotungstic syra molekyler genom alfa hemolysin kanalen produceras övergående blockader som minskade medelvärdet öppen-pore joniska ström med ca 80%Varaktigheten och blockad ström är båda direkt relaterade till partikel-por samspelet, vilket gör att joniska arter som skall differentieras i histogram av den relativa blockad djup förhållanden. Vid pH 5,5 observerades två toppar med djupkvoter på ca 0,06 och 0,16. Baserat på fosfor NMR var den mindre toppen de sex minus arter fosfoungstate och den stora toppen var sju minus arter.Vid pH 7,5 skiftade de relativa koncentrationerna till ett högre förhållande mellan 6-minusarterna till de sju minus-arterna. Den 20-faldig minskning av blockad händelser i förhållande till pH 5,5 tillskrevs nedbrytning till fri fosfat och tungstate joner. Montering av residence-time fördelningar krävs flera exponentiella funktioner, som anger flera typer av partikel-porinteraktioner inom varje joniska arter.Den kortare uppehållstider på pH 7.5 föreslog svagare partikel-por interaktioner än pH 5.5, överensstämmer med tidigare studier som visar pH-beroende förändringar i det relativa antalet fasta avgifter i eller nära alfa hemolysin kanal lumen. Hög renhet deioniserat vatten är avgörande för just denna uppsättning. En förbrukad organiska filterpatron var den troliga orsaken till vårt labb inte kan bilda membran på QNMs i månader.Individer som är nya för denna version av metoden kan också kämpa eftersom membranen är så små och det finns ett trick för att få nanoporer att bildas. Denna metod, som inleddes för flera decennier sedan, har visat sig användbar för att analysera joner, nukleinsyror, och syntetiska polymerer samt DNA-sekvensering. Det kan också hitta tillämpningar inom biofysik och grundläggande cellbiologi.Denna procedur kan till exempel användas för att studera syntetiska polymerers och biopolymerers fysikaliska egenskaper för att undersöka deras storlek, interaktioner med andra molekyler och andra viktiga frågor.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry (UPLC-HRMS)

Untargeted Metabolomics from Biological Sources Using Ultraperformance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry UPLC-HRMS

Oriktade Metabolomics från biologiska källor Använda Ultraperformance vätskekromatografi-högupplösande masspektrometri (UPLC-HRMS)

Here we present a workflow to analyze the metabolic profiles for biological samples of interest including; cells, serum, or tissue. The sample is first ...

Preparation and Characterization of SDF-1&#945;-Chitosan-Dextran Sulfate Nanoparticles

Preparation and Characterization of SDF-1ÃƒÅ½Ã‚Â±-Chitosan-Dextran Sulfate Nanoparticles

Beredning och karakterisering av SDF-1α-Chitosan-Dextransulfat Nanopartiklar

Chitosan (CS) and dextran sulfate (DS) are charged polysaccharides (glycans), which form polyelectrolyte complex-based nanoparticles when mixed under ...

Synthesis, Characterization, and Functionalization of Hybrid Au/CdS and Au/ZnS Core/Shell Nanoparticles

Syntes, karakterisering och funktionalisering av Hybrid Au / CdS och Au / ZnS Kärna / skal nanopartiklar

Plasmonic nanoparticles are an attractive material for light harvesting applications due to their easily modified surface, high surface area and large ...

Synthesis and Characterization of Supramolecular Colloids

Syntes och karakterisering av Supramolekylära Colloids

Control over colloidal assembly is of utmost importance for the development of functional colloidal materials with tailored structural and mechanical ...

Rapid High-throughput Species Identification of Botanical Material Using Direct Analysis in Real Time High Resolution Mass Spectrometry

Rapid med hög kapacitet Art Identifiering av Botanical Material med direkt analys i realtid högupplöst masspektrometri

We demonstrate that direct analysis in real time-high resolution mass spectrometry can be used to produce mass spectral profiles of botanical material, ...

Synthesis of Cyclic Polymers and Characterization of Their Diffusive Motion in the Melt State at the Single Molecule Level

Syntes av cykliska polymerer och karakterisering av deras Diffusiv Motion i smält tillstånd vid enda molekyl nivå

We demonstrate a method for the synthesis of cyclic polymers and a protocol for characterizing their diffusive motion in a melt state at the single ...

High Pressure Single Crystal Diffraction at PX^2

Högtrycks Single Crystal diffraktion på PX ^ 2

In this report we describe detailed procedures for carrying out single crystal X-ray diffraction experiments with a diamond anvil cell (DAC) at the ...

In Situ Detection and Single Cell Quantification of Metal Oxide Nanoparticles Using Nuclear Microprobe Analysis

In Situ Detection and Single Cell Quantification of Metal Oxide Nanoparticles Using Nuclear Microprobe Analysis

In Situ Upptäckt och enda Cell kvantifiering av metalloxid nanopartiklar med nukleära Microprobe analys

Micro-analytical techniques based on chemical element imaging enable the localization and quantification of chemical composition at the cellular level. ...

Real-time Breath Analysis by Using Secondary Nanoelectrospray Ionization Coupled to High Resolution Mass Spectrometry

Realtid andedräkt analys med hjälp av sekundära Nanoelectrospray jonisering kopplat till hög upplösning masspektrometri

Exhaled volatile organic compounds (VOCs) have aroused considerable interest, since they can serve as biomarkers for disease diagnosis and environmental ...

Synthesis and Characterization of Amphiphilic Gold Nanoparticles

Syntes och karakterisering av Amphiphilic Gold nanopartiklar

Gold nanoparticles covered with a mixture of 1-octanethiol (OT) and 11-mercapto-1-undecane sulfonic acid (MUS) have been extensively studied because of ...