Forskjell mellom versjoner av «Bygging av biomolekyl og nanopartikkel-strukturer på overflater»
(→Biobrenselceller) |
|||
| Linje 94: | Linje 94: | ||
=== Biobrenselceller === |
=== Biobrenselceller === |
||
| − | Ved å kunne kople enzymer elektrisk til en katode, kan man kontrollere og øke elektrontransporten, og dermed katalysehastigheten. Dette kan utnyttes i f.eks biobrenselceller. Dette oppnår man ved å bruke nanopartikler....... mer |
||
== Relevante sider == |
== Relevante sider == |
||
Revisjonen fra 30. mar. 2009 kl. 15:34
Denne artikkelen er under bygging. Mens du venter i spenning; det er mange andre spennende artikler å lese.
Innhold
Introduksjon
Biomaterialer som enzymer, proteiner, antigener, reseptorer og DNA er i samme størrelsesorden som andre nanoobjekter som nanopartikler (NP), nanostaver og nanowires. Kombinasjoner av disse to kan gi opphav til hybridmaterialer som kombinerer de unike gjenkjennelses- og katalyseevnene til biomolekyler med de spesielle optiske og elektriske egenskapene til nanopartikler. Nyere forskning viser at man kan "skreddersy" systemer av biomolekyl-nanopartikkel-hybrider til bruk i bioelektronikk som for eksempel biosensorer og nanokretser, samt til videre utvikling av større og mer komplekse nanokomponenter som biobrenselceller og biotransistorer. <ref name="Niemeyer">C.M. Niemeyer, "Nanoparticles, proteins, and nucleic acids: biotechnology meets materials science", Angew. Chem., Int. Ed. 40 (2001) 4128–4158.</ref>
Biomolekyler, f.eks. DNA, kan også brukes for å bygge opp strukturer av Nanopartikler ved å være et templat (mal), og virke som «molekylært lim». Denne artikkelen viser noen eksempler på metoder for å bygge BM-NP hybrider, og bruk av DNA som templat og molekylært lim. <ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref>
DNA som templat og molekylært lim
Forsøk har blitt gjort for å bygge strukturer av nanopartikler der DNA brukes som templat, og kortere segmenter av et DNA brukes som "molekylært lim". De korte segmentene kalles oligonukletid, og er opp til 20 nukleotider langt. Når DNA brukes som templat "bygger" man sin struktur på DNA'et. To metoder for dette er beskrevet senere i artikkelen. Når oligonukleotider brukes som lim, utnytter man at slike grupper kan funksjonaliseres med et annet stoff, samt at oligonukleotider kan binde seg til en komplementær nukleotidkjede.
Strukturer
Strukturer man ønsker å bygge kan være "1-Dimensjonale", altså nanowires, 2-Dimensjonale, som et mønster på en flate, eller 3-dimensjonale. Et eksempel på det siste er multilag.
Nanowires
Her blir beskrevet to metoder for å bygge "nanowires" av nanopartikler. Den første metoden baserer seg på DNA som templat, og oligonukleotider som lim, mens den andre baserer seg på elektrostatisk deponering på et DNA som templat.
Metode 1: ss-DNA som templat
En enkelttråd DNA, ss-DNA, blir brukt som templat. Korte oligonukletider, komplementære til segmenter av DNA-templatet, er funksjonalisert. I forsøk gjort er oligonukleotidet funksjonalisert med Streptavidin (SAv). Nanopartiklene (Gull-NP) på sin side er funksjonalisert med biotin (Vitamin B7). Se figur 1. SAv er et protein med sterk affinitet for Biotin. Disse to vil bindes sterkt til hverandre, og slik kan man bygge en struktur med nanopartikler langs DNA'et. Et ss-DNA er 2 nm bredt <ref name="nelson">Nelson P, "Biological Physics", s. 35, 2008</ref>, mens Gull-NP'ene er 5 nm store.
Figur 1 B viser et DNA med Gull-NP avbildet med AFM. I teorien kan hvilke og hvordan nanopartiklene festes bestemmes ved å velge oligonukleotider som er komplementære til bestemte segmenter av DNA-et. I praksis er det litt vanskeligere, noe AFM-bildet viser. Det er ikke en ubrutt kjede med Gull-NP langs DNA'et.
Metode 2: Elektrostatisk deponering på ds-DNA som templat
Dobbelttråd DNA, ds-DNA, i vann er negativt elektrisk ladd, pga fosfatgruppene i DNA'et. Dette potensialet kan man utnytte. Positive ladninger vil vekselvirke med DNA'et. Slik kan positivt ladde nanopartikler deponeres på DNA. En elektrostatisk deponering kan gi tettpakkede nanopartikler utenpå DNA'et. Et forsøk har blitt gjort med CdS nanopartikler<ref name"CdSnanoparticles">Torimoto T, Yamashita M, Kuwabata S, Sakata T, Mori H og Yoneyama H, "Fabrication of CdS Nanoparticle Chains along DNA double strands", Am. Chem. Soc., nr 42, 1999</ref>. Thiocoline modifiserer overflaten på CdS-NPen og den blir positivt ladd. For mest mulig tettpakket struktur, må også DNA'et pakkes maksimalt. Først har positive surfaktanter blitt deponert i grensesjiktet luft/vann. Disse pakkes tett ved Langmuir-Blodgett-metoden. Den elektrostatiske vekselvirkningen mellom surfaktantene og DNA'et vil pakke DNA'et tettere. CdS-NP tilføres i løsningen, og vil legge seg utenpå DNA'et.
En slik nanowire av CdS er halvledende. Nanowire av halvledende stoffer som CdS og ledende stoffer som Au er interessante for forskning, grunnet unike elektriske og fotoniske egenskaper. Interessen ligger i lage nanokretser, i halvlederteknologien (Solceller, LED). En del av utfordingen ligger i hvordan designe kretsene.
"2-dimensjonale" strukturer
DNA, oligonukleotider, har blitt brukt som molekylært lim for å lage nanostrukturer av nanopartikler på overflater. Oligonukleotidene bindes kovalent til flaten i et mønster som lages med Dip-Pen Nanolitografi, beskrevet i artikkelen Nanolitografi. DPN brukes til å mønstre flaten med en syre. Senere kan man deponere alkylamin-modifisert oligonukleotid på flaten. Disse lager amid-bindinger med syren <ref name="dpn2">L. M. Demers, S.-J. Park, T. A. Taton, Z. Li, C. A. Mirkin, Angew. Chem. Int. Ed. (2001), 40, 3071 – 3073</ref>. Dette er en prosess som er mulig å gjøre i flere trinn, altså binde forkjellige oligonukelotider i forskjellige planlagte mønster etter hverandre. Dermed har man muligheten til å lage et planlagt mønster med forkjellige nanopartikler.
Nanopartikklene er bundet aktivert med et annet oligonukleotid. Et såkaldt "Target-DNA" fungerer som skjøt mellom oligonukleodene på flaten, og oligonukleotidene bundet bundet til nanopartikkelen. Target-DNA'ets ene del er komplementær til nukleotidet på flaten. Den andre delen er komplementær til nanopartikklenes nukleotid.
På denne måten kan man lage nøyaktive mønster av nanopartikler på en flate. Figur 2 viser et AFM-bilde av et forsøk, der 13 nm og 30 nm store Gullpartikler ble festet til en Gullflate (aktivisert med syren MHA).
Nanokretser
Multilag av protein-NP-hybrider
Man kan bygge multilag av Anatase - TiO<math>_2</math> og hem-proteinet Cytochrome C ved hjelp av Liquid Phase Deposition (LPD), beskrevet i artikkelen deponeringsteknikker<ref name="willner">Willner I, Katz E, "Integrated Nanoparticle–Biomolecule Hybrid Systems", Angew. Chem. (2004), 6060-6063</ref>. Metoden har vist at det er mulig å bygge lag på lag av annenhver nanopartikler og biomolekyler på overflaten av en QCM-elektrode (se nedenfor). Det deponerte TiO<math>_2</math>-laget vil med denne metoden (figur 4) være negativt ladet, og elektrostatisk tiltrekning til det positivt ladde Cytochrome C fører til dannelsen av multilag.
Cytochrome C er et protein som finnes i den indre membranen i mitokondriene <ref name="skulachev">Vladimir P. Skulachev, "Cytochrome c in the apoptotic and antioxidant cascades", FEBS Letters 423 (1998) 275-280</ref>, og er meget løselig i vann, noe som gjør proteinet egnet til konstruksjon av biomolekyl-nanopartikkel funksjonelle multilag ved deponering. Stoffet er en essensiell del av cellenes åndedrettssystem ved å aktivere elektrontransportkjeden fra mitokondriene. Det forventes at Cytochrome C blant annet kan gi høyere reaksjonshastighet for redoksreaksjonene som foregår i biobrenselceller.
Quartz Crystal Microbalance
Deponeringsraten i metoden i figur 4 ble overvåket ved hjelp av en Quartz Crystal Microbalance (QCM). QCM er et instrument for å måle små masseforskjeller ved hjelp av frekvensmålinger<ref name="Cooper">Matthew A. Cooper* and Victoria T. Singleton, "A survey of the 2001 to 2005 quartz crystal microbalance biosensor literature: applications of acoustic physics to the analysis of biomolecular interactions", J. Mol. Recognit. 2007; 20: 154–184</ref>, og meget nyttig til å overvåke deponeringsraten for tynnfilmdeponering. QCM utnytter at kvartskrystaller har piezoelektriske egenskaper, noe som betyr at krystallen utvikler et elektrisk potensial når den utsettes for mekanisk trykk. Ved å sette et spenningsfall over krystallen kan man indusere stående akustiske bølger med en gitt resonansfrekvens som blant annet er avhengig av krystallens masse. På denne måten kan man måle eventuelle masseforandringer på QCM-elektroden meget nøyaktig ved å måle frekvensendringene. Sammenhengen mellom masseforandring og frekvensforandring for en piezoelektrisk krystall i vakuum er gitt av Sauerbrey's ligning:<ref name="sauerbrey">Sauerbrey G. 1959. "Verwendung von Schwingquarzen zur Wagung dunner Schichten und zur Microwagang". Z. Phys. 155: 206–212</ref>
<math>\Delta f_{m} = -\frac{2f_{0}^2}{A\sqrt{\rho_{q}\mu_{q}}} \Delta m</math>
<math>f_{0}</math> er krystallens resonansfrekvens.
<math>A</math> er arealet mellom elektrodene på krystallen.
<math>\rho_{q}</math> er massetettheten til krystallen.
<math>\mu_{q}</math> er krystallens skjær-modul.
En QCM kan også brukes i væske, men da må man ta med et dampningsledd i Sauerbrey's ligning:<ref name="Cooper">Matthew A. Cooper* and Victoria T. Singleton, "A survey of the 2001 to 2005 quartz crystal microbalance biosensor literature: applications of acoustic physics to the analysis of biomolecular
interactions", J. Mol. Recognit. 2007; 20: 154–184</ref>
<math>\Delta f_{m} = -f_{0}^2(\frac{2\Delta m}{A\sqrt{\rho_{q}\mu_{q}}} + \sqrt{\frac{\eta_{l}\rho_{l}}{f_{0}\pi \rho_{q} \mu_{q}}}) </math>
<math>\eta_{l}</math> er væskens viskositet.
<math>\rho_{l}</math> er væskens tetthet.
Multilag av DNA-NP-hybrider
Bruksområder
Bioelektronikk
Som nevnt, har man troa på at nanowires, og dermed nanokretser har et stort potensiale og vidt bruksområde. F. eks i konvertering av solenergi til elektrisk energi, i LED-teknologi, men også som en slags datamaskin.<ref name="techsight>Willner I, "Biomaterials for Sensors, Fuel Cells, and Circuitry", Science, 20, 2407 - 2408, December 2002</ref>
I en BioFET, biologisk field effect transistor, er f.eks antikropper koplet elekrisk. Når antikroppen finner sin respektive antigen, endres ledningsevne, og vi kan detektere 0, eller 1, avhengig om antikroppen har detektert antigen eller ikke. Dette kan også utnyttes som en sensor.
I drømmenanoverden ser man også for seg at man mellom source og drain i en transistor kan ha et protein, som leder strøm ettersom gatespenningen er av eller på. Proteinet er dra i stedet for den pn-dopede halvlederen vi finner i dagens transistore. Et protein kan være ~ 4 nm, altså 10 ganger mindre enn dagens transistorer. En slik protein-transistor må riktignok være i vann...
Biosensorer
Artikklen Sensorer basert på sammenklumping av DNA-nanopartikler tar opp temaet Biosensorer, basert på DNA- og nanopartikkelhybrider.
Biobrenselceller
Relevante sider
Referanser
<references/>
