不均一なC-TiO2ハイブリッドナノ構造体上での優れたタンパク質固定化と安定性。単一タンパク質のAFM研究

Excellent protein immobilization and stability on heterogeneous C-TiO2 hybrid nanostructure: A single protein AFM study.

• Yihui Dong
• Xiaoyan Ji
• Aatto Laaksonen
• Wei Cao
• Hongyan He
• Xiaohua Lu

抄録

TiO2表面へのタンパク質の固定化と安定性を向上させるためには、分子間相互作用を高めることが重要である。本研究では、細孔形状の異なるメソポーラスTiO2材料をフェニルリン酸(PPA)で装飾した後、熱処理を行うことで、炭素とTiO2の利点を維持したまま、形状や結晶構造を変えることなく化学的に不均一なC-TiO2試料を得ることができた。タンパク質と表面との間の分子相互作用力は、全付着力から分解して原子間力顕微鏡（AFM）を用いて測定し、表面化学が相互作用の強さを決定し、TiO2表面上の部分的な炭素被覆量（〜40％〜80％）に依存することを示した。炭素被覆率が58.3%の試料は最も強い分子間相互作用力を示し、検出された摩擦力からの観察と一致している。さらに、これらのC-TiO2材料の表面増強ラマン散乱(SERS)と電気化学的バイオセンサーの測定を行い、タンパク質検出やバイオセンサーとしての応用が期待されることを明らかにした。

Enhancing the molecular interaction is critical for improving the immobilization and stability of protein on TiO2 surfaces. In this work, mesoporous TiO2 materials with varied pore geometries were decorated with phenyl phosphoric acid (PPA), followed by a thermal treatment to obtain chemically heterogeneous C-TiO2 samples without changing the geometry and crystalline structure, which can keep the advantages of both carbon and TiO2. The molecular interaction force between the protein and the surfaces was measured using the atomic force microscopy (AFM) by decomposing from the total adhesion forces, showing that the surface chemistry determines the interaction strength and depends on the amount of partial carbon coverage on the TiO2 surface (~40%-80%). Samples with 58.3 % carbon coverage provide the strongest molecular interaction force, consistent with the observation from the detected friction force. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) and electrochemical biosensor measurements for these C-TiO2 materials were further conducted to illustrate their practical implications, implying their promising applications such as protein detection and biosensors.