Department of Physics and Astronomy of the National Academy of Sciences of Ukraine
Abstract
When elaborating the biosensor based on single-walled carbon nanotubes (SWNTs), it is necessary to solve such an important problem as the immobilization of a target biomolecule on the nanotube surface. In this work, the enzyme (glucose oxidase (GOX)) was immobilized on the surface of a nanotube network, which was created by the deposition of nanotubes from their solution in 1,2-dichlorobenzene by the spray method. 1-Pyrenebutanoic acid succinimide ester (PSE) was used to form the molecular interface, the bifunctional molecule of which provides the covalent binding with the enzyme shell, and its other part (pyrene) is adsorbed onto the nanotube surface. First, the usage of such a molecular interface leaves out the direct adsorption of the enzyme (in this case, its activity decreases) onto the nanotube surface, and, second, it ensures the enzyme localization near the nanotube. The comparison of the resonance Raman (RR) spectrum of pristine nanotubes with their spectrum in the PSE environment evidences the creation of a nanohybrid formed by an SWNT with a PSE molecule which provides the further enzyme immobilization. As the RR spectrum of an SWNT:PSE:GOX film does not essentially differ from that of SWNT:PSE ones, this indicates that the molecular interface (PSE) isolates the enzyme from nanotubes strongly enough. The efficient immobilization of GOX along the carbon nanotubes due to PSE is confirmed with atomic force microscopy images. The method of molecular dynamics allowed us to establish the structures of SWNT:PSE:GOX created in the aqueous environment and to determine the interaction energy between hybrid components. In addition, the conductivity of the SWNT network with adsorbed PSE and GOX molecules is studied. The adsorption of PSE molecules onto the SWNT network causes a decrease of the conductivity, which can be explained by the appearance of scattering centers for charge carriers on the nanotube surface, which are created by PSE moleculesПри створеннi бiологiчних сенсорiв з використанням одностiнних вуглецевих нанотрубок (ОВНТ) треба вирiшити таку важливу проблему, як iммобiлiзацiя молекули, яка повинна розпiзнати мiшень, на поверхнi нанотрубок. В данiй роботi проведена iммобiлiзацiя ферменту глюкозооксидаза (ГОК) на поверхню сiтки нанотрубок, яка була одержана шляхом осадження нанотрубок з їх розчину у дiхлорбензолi за допомогою спрей-методу. У ролi молекулярного iнтерфейсу було застосовано сукцинiмiдний ефiр 1-пiренбутанової кислоти (ПСЕ), бiфункцiональна молекула якого забезпечує хiмiчний зв’язок з оболонкою ферменту, а друга її частина (пiренова) адсорбується на поверхню нанотрубки. Використання такого молекулярного iнтерфейсу виключає, з одного боку, пряму адсорбцію ферменту на поверхню нанотрубки, яка знижує його активнiсть, а з другого, забезпечує локалiзацiю ферменту поблизу нанотрубки. Порiвняння спектрiв резонансного комбiнацiйного розсiювання свiтла (РКРС) нанотрубок з їх спектром в оточеннi ПСЕ вказує на створення наногiбриду молекулою ПСЕ з нанотрубкою, що дає пiдставу для подальшої іммобілізації ферментiв. Оскiльки спектри РКРС плiвок ОВНТ:ПСЕ:ГОК суттєво не вiдрiзняються вiд спектрiв ОВНТ:ПСЕ, то можна стверджувати, що молекулярний iнтерфейс ПСЕ достатньо мiцно iзолює фермент вiд нанотрубки. Ефективна іммобілізація ферменту ГОК поблизу вуглецевої нанотрубки завдяки ПСЕ пiдтверджується за допомогою зображень, отриманих атомно-силовим мiкроскопом. Молекулярна динамiка дозволила встановити структури отриманих нанобiогiбридiв та енергiї мiжмолекулярної взаємодiї мiж компонентами потрiйного комплексу у водному оточеннi. Було також дослiджено провiднi властивостi сiтки ОВНТ з адсорбованими молекулами ПСЕ та ГОК. Адсорбцiя молекул ПСЕ на сiтку з ОВНТ супроводжується зменшенням провiдностi, яке, скорiш за все, пов’язано з появою розсiювальних центрiв для носiїв заряду у нанотрубкахПри создании биологических сенсоров с использованием одностiнних углеродных нанотрубок (ОВНТ) нужно решить такую важную проблему, как iммобiлiзацiя молекулы, которая должна распознать мишень, на поверхности нанотрубок. В данной работе проведена iммобiлiзацiя фермента глюкозооксидаза (ГОК) на поверхность сетки нанотрубок, которая была получена путем осаждения нанотрубок с их раствора в дiхлорбензолi с помощью спрей - метода. В роли молекулярного интерфейса были применены сукцинiмiдний эфир 1 - пiренбутановои кислоты (ПСЭ), бiфункцiональна молекула которого обеспечивает химический связь с оболочкой фермента, а вторая ее часть (пiренова) адсорбируется на поверхность нанотрубки. Использование такого молекулярного интерфейса исключает, с одной стороны, прямую адсорбцию фермента на поверхность нанотрубки, которая снижает его активность, а с другой, обеспечивает локализацию фермента вблизи нанотрубки. Сравнение спектров резонансного комбiнацiйного рассеяния света (РКРС) нанотрубок с их спектром в окружении ПСЭ указывает на создание наногiбриду молекулой ПСЭ с нанотрубку, что дает основание для дальнейшей иммобилизации ферментов. Поскольку спектры РКРС пленок ОВНТ:ПСЭ:ГОК существенно не отличаются от спектров ОВНТ:ПСЭ, то можно утверждать, что молекулярный интерфейс ПСЭ достаточно крепко iзолюе фермент от нанотрубки. Эффективная иммобилизация фермента ГОК вблизи углеродной нанотрубки благодаря ПСЭ подтверждается с помощью изображений, полученных атомно - силовым микроскопом. Молекулярная динамика позволила установить структуры полученных нанобiогiбридiв и энергии мiжмолекулярнои взаимодействия между компонентами тройного комплекса в водном окружении. Было также исследовано ведущие свойства сетки ОВНТ с адсорбированными молекулами ПСЭ и ГОК. Адсорбции молекул ПСЭ на сетку с ОВНТ сопровождается уменьшением проводимости, которое, скорее всего, связано с появлением розсiювальних центров для носителей заряда в нанотрубка
