This work was supported by the Marie Curie International Reintegration Grant (EP7). P. D. acknowledges the support of the Israel Council for Higher Education.

1.ヒント修正<ol><li>購入窒化シリコン（Si 3 N 4）、シリコンチップとAFMカンチレバー（〜2nmの公称カンチレバー半径）。 </li><li> 20分間無水エタノールに浸漬して、各AFMカンチレバーを清掃してください。室温で乾燥しました。その後、5分間O 2プラズマにそれらを暴露することによってカンチレバーを扱います。 </li><li> 15の割合で（3センチ）を含む溶液メチルトリエトキシシラン、3-（アミノプロピル）トリエトキシシラン上記のきれいなヒントをサスペンド：1（v / v）の不活性雰囲気（窒素やアルゴンのいずれか）の下でデシケーター中とにデシケーターを接続真空ポンプ。混合したシラン化合物のこれら2つのタイプの単層を形成するために2時間真空。 </li><li>ホットプレート上でのヒントを配置する（このプロセスのために作製）金属製のチップホルダーを使用します。その後、大気条件下で、70℃で10分間のヒントを乾燥させます。使用前に、エタノールを使用して、ホットプレート、金属製のホルダーとピンセットを清掃してください。 </li><li>部屋tでのヒントをクールemperature、その後で1時間、0.5％（v / v）のトリエチルアミンを含有するクロロホルム中の5 mMの濃度で、フルオレ-PEG-N-ヒドロキシカルボニル（Fmoc-PEG-NHS、MW 5,000 Da）での溶液にチップを浸漬室温。 </li><li> 5分間クロロホルムでヒントを浸漬した後、さらに5分間、ジメチルホルムアミド（DMF）中に浸します。結合したPEG分子のFmoc基を脱保護するために、30分間DMF中の20％ピペリジン（v / v）の中にヒントを浸します。 4分間DMF中でチップを浸漬した後、N-メチル-2-ピロリドン（NMP）中でさらに4分間。 3回浸漬シーケンシャルを繰り返します。 </li><li>アミノ酸のカップリングのために、N末端保護アミノ酸（AA）/ジイソプロピルエチルアミン（DIPEA）/ 2-（1H-ベンゾトリアゾール-1-イル）-1,1,3,3-テトラメチルウロニウムhexafluophosphateを含む溶液にチップを浸漬1.5時間5mLのNMP中の30mMの総濃度で、1：1：1のモル比で（HBTU）。 </li><li>ペプチドカップリングのために、5 mL溶液の続きにヒントを浸し保護されたペプチド40mgのaining（N末端及び側鎖、例えばのFmoc-Glnを（Trtの）-Pro-ALA-のSer（tBuで）-Ser（tBuで）-Arg（PBF）-Tyr（tBuで）-COOHを。） 、15mgの2-（1H-ベンゾトリアゾール-1-イル）-1,1,3,3-テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスフェート（HBTU）、および2時間NMP中DIPEA 5mLの。 </li><li> 4分間のNMP中のヒントを浸します。 1及びNMP中0.65 Mの合計濃度：次に、アセチル基によってリーマ無料/未反応NH 2を保護するために、モル比4で無水酢酸/ DIPEAの混合物中で30分間のヒントを浸します。 </li><li> ペプチドカップリングのために、二つの追加の手順を実行します。 <ol><li> 、ペプチドの側鎖を脱保護し、1時間、95％TFA、2.5％のトリイソプロピルシラン、2.5％の水を含む溶液にチップを浸漬し、次いで、クロロホルムおよびDMFで洗浄するためです。 </li><li> 30分間DMF中の20％ピペリジン（v / v）の中にチップを、ペプチドのFmoc基を除去浸漬するためです。 </li></ol></li><li>順次ペプチド/アミノ酸 - 官能ディップDMF（ペプチド）またはNMP（アミノ酸など）、クロロホルム、50％のエタノールと水の4つの分間、Dヒント。最後に、空気中のチップを乾燥させます。 </li></ol> 2.表面の準備<ol><li>マイカを準備します。スコッチテープを使用して、各使用前に基質（9.9ミリメートルの直径）を切断します。その後、三重蒸留水（TDW）で表面を洗います。 </li><li> TiO 2被覆シリコンを準備します。 <ol><li>ダイヤモンドペンを用いて2cmの正方形にシリコンウェハ（100）を切断します。 </li><li>アセトンを充填した15mLの試験管内に基板を配置し、超音波浴中で5分間、それを超音波処理します。次いで、イソプロパノールを充填した15 mLの試験管にこの表面を置き、5分間、それを超音波処理。窒素を使用して基板を乾燥させます。 </li><li> 5％（重量/容量）溶液を調製し、エタノール中の界面活性剤（ 例えば 、BYK-348）を溶解します。その後、2 mLの30の％のTiO 2分散液に界面活性剤溶液の0.02 mLを加え。 </li><li>得られた溶液から、ドロップキャスト0を。清浄なSi基板上に2 mLです。 </li><li>空気中で2時間、250℃でこれらのドロップキャスト表面をアニール。 41 </li></ol></li></ol> 3.シングル分子力分光測定<ol><li>市販の二成分接着剤でAFMの金属製のホルダーに所望の表面を取り付けます。小さなペトリ皿のように形作られているAFM、ガラスホルダーに金属製のホルダーを配置します。トリス緩衝液（50mMのpH = 7.4）、または任意の媒体と、このホルダーを記入してください。そして、チップホルダ以下AFMステージ上にホルダーを配置します。 </li><li>約10％の絶対的な不確実性（AFMソフトウェアに含まれる）熱揺らぎ法26を使用して10から30 PN / nmの範囲のバネ定数とAFMカンチレバーのキャリブレーションを行います。 </li><li>それが圧縮された基板に接触するまで、基板にアミノ酸又はペプチド官能先端に近づくことにより、相互作用の力を測定〜200 pNでの力と直ちに〜200nmの距離のために、0.1〜0.8ミクロン/秒から、様々な速度で先端を撤回。 </li></ol> 4.データ解析<ol><li>フォトダイオードの感度（V / m）を乗算し、実験的に決定されたばね定数を使用して強制的に偏向値（V）に変換します。 42これは、AFMソフトウェアによって自動的に行われます。 <ol><li> 1単一分子イベントとFD曲線を得るためには、曲線の数百（800-1,500）を記録。単一分子曲線に2つのピークを取得します。最初のピークは、表面と分子の特異的な相互作用に先端部と表面と第2のピークに相当するとの間の非特異的な相互作用を示しています。 FD曲線は、これら2つのピークを超えて含有する場合、最も可能性の力の計算からそれらを捨てます。 注：つだけ接着イベントは（曲線の10〜30％の）考慮されます。 43 </li></ol></li><li&gt;は、その後のヒストグラムを調製するために使用された積載率のセットを取得する直前に破裂に明らか負荷率、ワームのようなチェーン（WLC）モデル44との距離曲線対フィット少なくとも50の力を計算するために、見かけの負荷率。基板からカンチレバーを分離した後力のジャンプからのペプチド/アミノ酸と表面との間のバインド解除力を求めよ。 </li></ol>

著者は、彼らが競合する金融利害関係を持たないことを宣言します。

1.3の手順、プロトコル1.4と1.7は、大規模な注意を払って、非常に穏やかな方法で行われるべきです。ステップ1.3において、チップは、シラン混合物と接触してはならず、シラン化処理は、不活性雰囲気（無水）で行われるべきです。 45これは、多層の形成を防止するために、シラン分子が容易に水分の存在下で加水分解を受けるために行われます。 45 <...

タンパク質および無機鉱物との間の相互作用は、独特の特性を有する複合材料の構築につながります。これは、高い機械的強度、または独自の光学特性を有する材料を含みます。例えば、 図1、 図2は 、鉱物ヒドロキシアパタイトとタンパク質コラーゲンの組み合わせは、異なる機能のための軟質または硬質の骨のいずれかを生成します。 3短いペプチドはまた、特異性の高い無機材料をバインドすることができます。 4、5、これらのペプチドの6特異性は、結晶を成長させる、9ナノ構造材料を製造する、8、7、新たな磁気及び電子材料を設計するために使用されています、 10とナノ粒子を合成します。 図11は、ペプチドまたはタンパク質と無機材料との間の相互作用の根底にあるメカニズムを理解することは、したがって、私たちは改善された吸着特性を持つ新しい複合材料を設計することができるようになります。免疫応答とインプラントの間期は、タンパク質によって媒介されるので、また、より良い無機物質とタンパク質の相互作用を理解することは、インプラントを設計する当社の能力を向上させます。無機表面と相互作用するタンパク質が関与するもう一つの重要な領域は、防汚材料の製造です。 12、13、14、15生物付着生物が表面に付着する望ましくないプロセスです。それは私たちの生活に多くの有害な影響を与えます。例えば、医療機器上の細菌の生物付着は、院内感染につながります。ボートや大型船舶の海洋生物の生物付着が増加します<html>燃料の消費量。 12、16、17、18 単一分子力分光法（SMFS）は、AFMを用いて、直接アミノ酸または基質とペプチドの間の相互作用を測定することができます。このようなファージディスプレイ、27、28と19、20、21、22、23、24、25、26他の方法 水晶微量天秤（QCM）29または表面プラズモン共鳴（SPR）29、30、31、32、REF &quot;&gt; 33小節バルク中の無機表面へのペプチドおよびタンパク質の相互作用。34、35、36 これは、これらの方法により得られた結果は、分子または凝集体の集合に関連することを意味します。 SMFSでは、1つまたは非常に少数の分子は、AFMチップに固定されており、所望の基材との相互作用が測定されます。このアプローチは、表面からのタンパク質を引っ張ることによって、タンパク質のフォールディングを研究するために拡張することができます。また、細胞タンパク質およびそれらのリガンドに対する抗体の結合との間の相互作用を測定することができます。 37、38、39、40本稿では、シラノール化学を用いてAFMチップにペプチドまたはアミノ酸のいずれかを接続する方法を詳細に説明しています。また、紙は力の測定を実行する方法および分析する方法について説明します結果。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="638">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="173">
			<td height="173" style="height:173px;width:164px;">Silicon nitride (Si3N4) AFM cantilevers with silicon tips</td>
			<td style="width:147px;">Bruker (Camarilo, CA, USA)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">MSNL10, nominal cantilevers radius ~2 nm&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Methyltriethoxysilane&#160;</td>
			<td style="width:147px;">Acros Organics (New Jersey, USA)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">For Silaylation of the AFM tip&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">3-(Aminopropyl) triethoxysilane</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Triisopropylsilane</td>
			<td style="width:147px;">Sigma-Aldrich (Jerusalem, Israel)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:164px;">N-Ethyldiisopropylamine</td>
			<td style="width:147px;">Alfa-Aesar (Lancashire, UK)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:164px;">Triethylamine</td>
			<td style="width:147px;">Alfa-Aesar (Lancashire, UK)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification</td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:164px;">Piperidine</td>
			<td style="width:147px;">Alfa-Aesar (Lancashire, UK)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used for tip modification</td>
		</tr>
		<tr height="232">
			<td height="232" style="height:232px;width:164px;">Fluorenylmethyloxycarbonyl-PEG-N-hydroxysuccinimide&#160; (Fmoc-PEG-NHS)</td>
			<td style="width:147px;">Iris Biotech GmbH (Deutschland, Germany)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used as the covalent flexible linker&#160; (MW = 5000 Da)</td>
		</tr>
		<tr height="253">
			<td height="253" style="height:253px;width:164px;">2-(1H-benzotriazol-1-yl)-1,1,3,3,-tetramethyluronium hexafluorophosphate (HBTU)</td>
			<td style="width:147px;">Alfa Aser (Heysham, England)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used as a coupling reagent.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="148">
			<td height="148" style="height:148px;width:164px;">N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)</td>
			<td style="width:147px;">Acros Organics (New Jersey, USA)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used as Solvent in Tip modification procedure</td>
		</tr>
		<tr height="148">
			<td height="148" style="height:148px;width:164px;">DMF (dimethylformamide)</td>
			<td style="width:147px;">Merck (Darmstadt, Germany)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">Used as Solvent in Tip modification procedure</td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Trifluoro acetic acid (TFA)</td>
			<td style="width:147px;">Merck (Darmstadt, Germany)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;"></td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Acetic anhydride</td>
			<td style="width:147px;">Merck (Darmstadt, Germany)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;"></td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Peptides</td>
			<td style="width:147px;">GL Biochem (Shanghai, China).</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;"></td>
		</tr>
		<tr height="106">
			<td height="106" style="height:106px;width:164px;">Phenylalanine and Tyrosine&#160;</td>
			<td style="width:147px;">Biochem (Darmstadt, Germany)&#160;</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;"></td>
		</tr>
		<tr height="240">
			<td height="361" rowspan="7" style="height:361px;width:164px;">30% TiO2 dispersion in the mixture of solvent 2-(2-Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP)</td>
			<td rowspan="7" style="width:147px;">Applied Vision Laboratories (Jerusalem, Israel)</td>
			<td rowspan="7" style="width:64px;"></td>
			<td rowspan="7" style="width:264px;">(30%) in the mixture of solvent 2-(2 Methoxyethoxy) ethanol (DEGME) and Ethyl 3-Ethoxypropionate (EEP)</td>
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="20">
		</tr>
		<tr height="21">
		</tr>
		<tr height="148">
			<td height="148" style="height:148px;width:164px;">Mica substrates</td>
			<td style="width:147px;">TED PELLA, INC. (Redding, California, USA)</td>
			<td style="width:64px;"></td>
			<td style="width:264px;">9.9 mm diameter</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

insights into the interactions of amino acids and peptides with inorganic materials using single-molecule force spectroscopy

タンパク質またはペプチドと無機材料との間の相互作用は、いくつかの興味深いプロセスにつながります。例えば、無機物でタンパク質を結合する独特の特性を有する複合材料の形成をもたらします。また、生物付着の好ましくないプロセスが表面上の生体分子、主にタンパク質の吸着によって開始されます。この有機層は、細菌のための接着層であり、それらは表面と相互作用することを可能にします。有機 - 無機界面での相互作用を支配する基本的な力を理解することは、研究の多くの分野のためには重要であると、光学機械的および生物医学的用途のための新しい材料の設計につながる可能性があります。本稿では、ペプチドまたはアミノ酸と明確に定義された無機表面のいずれかとの間の接着力を測定するために、AFMを利用して単一分子力分光法の技法を示しています。この技術は、AFMに生体分子を付着するためのプロトコルを含みます原子間力顕微鏡による共有結合柔軟なリンカーおよび単一分子力分光測定を通じて先端。また、これらの測定値の分析が含まれます。

図1は、先端変更手順を示します。第1のステップでは、プラズマ処理は、窒化シリコンチップの表面を変化させます。先端はOH基を提示します。これらのグループはその後、シランと反応します。このステップの終了時に、チップの表面は、遊離-NH 2基により覆われます。これらの遊離アミンは、その後のFmoc -PEG-NHS、共有結合性リンカーと反応し?...

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Insights into the Interactions of Amino Acids and Peptides with Inorganic Materials Using Single-Molecule Force Spectroscopy

ここでは、原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、単一分子力分光測定によって明確に定義された無機表面のいずれかのペプチドまたはアミノ酸との間の相互作用の力を測定するためのプロトコルを提示します。測定から得られた情報は、より良好なペプチド無機材料相間を理解することが重要です。

単一分子力分光法を用いて無機材料とアミノ酸とペプチドの相互作用への洞察

The interactions between proteins or peptides and inorganic materials lead to several interesting processes. For example, combining proteins with minerals ...

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Research

JoVE Journal

Chemistry

8.0K ビュー.  The Hebrew University of Jerusalem. ここでは、原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、単一分子力分光測定によって明確に定義された無機表面のいずれかのペプチドまたはアミノ酸との間の相互作用の力を測定するためのプロトコルを提示します。測定から得られた情報は、より良好なペプチド無機材料相間を理解することが重要です。 

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Formation of Ordered Biomolecular Structures by the Self-assembly of Short Peptides

In nature, complex functional structures are formed by the self-assembly of biomolecules under mild conditions. Understanding the forces that control self-assembly and mimicking this process in vitro will bring about major advances in the areas of materials science and nanotechnology. Among the available biological building blocks, peptides have several advantages as they present substantial diversity, their synthesis in large scale is straightforward, and they can easily be modified with biological and chemical entities1,2. Several classes of designed peptides such as cyclic peptides, amphiphile peptides and peptide-conjugates self-assemble into ordered structures in solution. Homoaromatic dipeptides, are a class of short self-assembled peptides that contain all the molecular information needed to form ordered structures such as nanotubes, spheres and fibrils3-8. A large variety of these peptides is commercially available.
This paper presents a procedure that leads to the formation of ordered structures by the self-assembly of homoaromatic peptides. The protocol requires only commercial reagents and basic laboratory equipment. In addition, the paper describes some of the methods available for the characterization of peptide-based assemblies. These methods include electron and atomic force microscopy and Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). Moreover, the manuscript demonstrates the blending of peptides (coassembly) and the formation of a &#34;beads on a string&#34;-like structure by this process.9 The protocols presented here can be adapted to other classes of peptides or biological building blocks and can potentially lead to the discovery of new peptide-based structures and to better control of their assembly.

This paper describes the formation of highly ordered peptide-based structures by the spontaneous process of self-assembly. The method utilizes commercially available peptides and common lab equipment. This technique can be applied to a large variety of peptides and may lead to the discovery of new peptide-based assemblies.

短いペプチドの自己組織化によって順序付け生体分子構造の形成

In nature, complex functional structures are formed by the self-assembly of biomolecules under mild conditions. Understanding the forces that control ...

化学

Preparation of Silica Nanoparticles Through Microwave-assisted Acid-catalysis

Microwave-assisted synthetic techniques were used to quickly and reproducibly produce silica nanoparticle sols using an acid catalyst with nanoparticle diameters ranging from 30-250 nm by varying the reaction conditions. Through the selection of a microwave compatible solvent, silicic acid precursor, catalyst, and microwave irradiation time, these microwave-assisted methods were capable of overcoming the previously reported shortcomings associated with synthesis of silica nanoparticles using microwave reactors. The siloxane precursor was hydrolyzed using the acid catalyst, HCl. Acetone, a low-tan &#948; solvent, mediates the condensation reactions and has minimal interaction with the electromagnetic field. Condensation reactions begin when the silicic acid precursor couples with the microwave radiation, leading to silica nanoparticle sol formation. The silica nanoparticles were characterized by dynamic light scattering data and scanning electron microscopy, which show the materials&#39; morphology and size to be dependent on the reaction conditions. Microwave-assisted reactions produce silica nanoparticles with roughened textured surfaces that are atypical for silica sols produced by St&#246;ber&#39;s methods, which have smooth surfaces.

Silica nanoparticles were prepared using acid-catalysis of a siloxane precursor and microwave-assisted synthetic techniques resulting in the controlled growth of nanomaterials ranging from 30-250 nm in diameter. The growth dynamics can be controlled by varying the initial silicic acid concentration, time of the reaction, and temperature of reaction.

マイクロ波支援酸 - 触媒反応によりシリカナノ粒子の調製

Microwave-assisted synthetic techniques were used to quickly and reproducibly produce silica nanoparticle sols using an acid catalyst with nanoparticle ...

The Synthesis of [Sn10(Si(SiMe3)3)4]2- Using a Metastable Sn(I) Halide Solution Synthesized via a Co-condensation Technique

The number of well-characterized metalloid tin clusters, synthesized by applying the disproportionation of a metastable Sn(I) halide in the presence of a sterically demanding ligand, has increased in recent years. The metastable Sn(I) halide is synthesized at&#160;&#34;outer space conditions&#34; via the preparative co-condensation technique. Thereby, the subhalide is synthesized in an oven at high temperatures, around 1,300 &#176;C, and at reduced pressure by the reaction of elemental tin with hydrogen halide gas (e.g., HCl). The subhalide (e.g., SnCl) is trapped within a matrix of an inert solvent, like toluene at -196 &#176;C. Heating the solid matrix to -78 &#176;C gives a metastable solution of the subhalide. The metastable subhalide solution is highly reactive but can be stored at -78 &#176;C for several weeks. On heating the solution to room temperature, a disproportionation reaction occurs, leading to elemental tin and the corresponding dihalide. By applying bulky ligands like Si(SiMe3)3, the intermediate metalloid cluster compounds can be trapped before complete disproportionation to elemental tin. Hence, the reaction of a metastable Sn(I)Cl solution with Li-Si(SiMe3)3 gives [Sn10(Si(SiMe3)3)4]2- 1 as black crystals in high yield. 1 is formed via a complex reaction sequence including salt metathesis, disproportionation, and degradation of larger clusters. Further, 1 can be analyzed by various methods like NMR or single crystal X-ray structure analysis.

The Synthesis of [Sn10SiSiMe334]2- Using a Metastable SnI Halide Solution Synthesized via a Co-condensation Technique

The disproportionation reaction of a metastable Sn(I) chloride solution, obtained via the preparative co-condensation technique, is used for the synthesis of a metalloid tin cluster compound.

[Snとの合成<sub&gt; 10</sub&gt;シリコン（Si（サイム<sub&gt; 3</sub&gt;）<sub&gt; 3</sub&gt;）<sub&gt; 4</sub&gt;]<sup&gt; 2</sup<sup&gt; -</sup&gt;準安定のSn（I）の共縮技術を介して合成ハロゲン化物溶液を使用しました

The number of well-characterized metalloid tin clusters, synthesized by applying the disproportionation of a metastable Sn(I) halide in the presence of a ...

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

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 molecule level. An electrostatic self-assembly and covalent fixation (ESA-CF) process is used for the synthesis of the cyclic poly(tetrahydrofuran) (poly(THF)). The diffusive motion of individual cyclic polymer chains in a melt state is visualized using single molecule fluorescence imaging by incorporating a fluorophore unit in the cyclic chains. The diffusive motion of the chains is quantitatively characterized by means of a combination of mean-squared displacement (MSD) analysis and a cumulative distribution function (CDF) analysis. The cyclic polymer exhibits multiple-mode diffusion which is distinct from its linear counterpart. The results demonstrate that the diffusional heterogeneity of polymers that is often hidden behind ensemble averaging can be revealed by the efficient synthesis of the cyclic polymers using the ESA-CF process and the quantitative analysis of the diffusive motion at the single molecule level using the MSD and CDF analyses.

A protocol for the synthesis and characterization of diffusive motion of cyclic polymers at the single molecule level is presented.

単一分子レベルでの環状ポリマーの合成と溶融状態におけるそれらの拡散運動のキャラクタリゼーション

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 ...

Electrochemical Impedance Spectroscopy as a Tool for Electrochemical Rate Constant Estimation

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). In the case of fast reversible electrochemical processes, current is predominantly affected by the rate of diffusion, which is the slowest and limiting stage. EIS is a powerful technique that allows separate analysis of stages of charge transfer that have different AC frequency response. The capability of the method was used to extract the value of charge transfer resistance, which characterizes the rate of charge exchange on the electrode-solution interface. The application of this technique is broad, from biochemistry up to organic electronics. In this work, we are presenting the method of analysis of organic compounds for optoelectronic applications.

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of species that undergo reversible oxidation or reduction in solution was used for determination of rate constants of oxidation or reduction.

電気化学インピー ダンス分光電気化学定数推定法のためのツールとして

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). ...

Determination of Thermodynamic Properties of Alkaline Earth-liquid Metal Alloys Using the Electromotive Force Technique

A novel electrochemical cell based on a CaF2 solid-state electrolyte has been developed to measure the electromotive force (emf) of binary alkaline earth-liquid metal alloys as functions of both composition and temperature in order to acquire thermodynamic data. The cell consists of a chemically stable solid-state CaF2-AF2 electrolyte (where A is the alkaline-earth element such as Ca, Sr, or Ba), with binary A-B alloy (where B is the liquid metal such as Bi or Sb) working electrodes, and a pure A metal reference electrode. Emf data are collected over a temperature range of 723 K to 1,123 K in 25 K increments for multiple alloy compositions per experiment and the results are analyzed to yield activity values, phase transition temperatures, and partial molar entropies/enthalpies for each composition.

This protocol describes the measurement of the electromotive force of alkaline-earth elements in liquid metal alloys at high temperatures (723-1,123 K) to determine their thermodynamic properties, including activity, partial molar entropy, partial molar enthalpy, and phase transition temperatures, over a wide composition range.

起電力法を用いたアルカリ土類液体金属合金の熱力学的性質の測定

A novel electrochemical cell based on a CaF2 solid-state electrolyte has been developed to measure the electromotive force (emf) of binary alkaline ...

Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal structure and probing the hydrogen-bond (H-bond) dynamics of the water molecules adsorbed on solid surfaces are fundamental issues of water science, which remains a great challenge owing to the light mass and small size of hydrogen. Scanning tunneling microscopy (STM) is a promising tool for attacking these problems, thanks to its capabilities of sub-&#197;ngstr&#246;m spatial resolution, single-bond vibrational sensitivity, and atomic/molecular manipulation. The designed experimental system consists of a Cl-terminated tip and a sample fabricated by dosing water molecules in situ onto the Au(111)-supported NaCl(001) surfaces. The insulating NaCl films electronically decouple the water from the metal substrates, so the intrinsic frontier orbitals of water molecules are preserved. The Cl-tip facilitates the manipulation of the single water molecules, as well as gating the orbitals of water to the proximity of Fermi level (EF) via tip-water coupling. This paper outlines the detailed methods of submolecular resolution imaging, molecular/atomic manipulation, and single-bond vibrational spectroscopy of interfacial water. These studies open up a new route for investigating the H-bonded systems at the atomic scale.

Here, we present a protocol to investigate the structure and dynamics of interfacial water at the atomic scale, in terms of submolecular resolution imaging, molecular manipulation, and single-bond vibrational spectroscopy.

構造と走査型トンネル顕微鏡および分光法による界面の水のダイナミクスを調べる

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal ...

Elemental-sensitive Detection of the Chemistry in Batteries through Soft X-ray Absorption Spectroscopy and Resonant Inelastic X-ray Scattering

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid based on volatile solar and wind sources. The pressing demand of developing high-performance electrochemical energy storage solutions, i.e., batteries, relies on both fundamental understanding and practical developments from both the academy and industry. The formidable challenge of developing successful battery technology stems from the different requirements for different energy-storage applications. Energy density, power, stability, safety, and cost parameters all have to be balanced in batteries to meet the requirements of different applications. Therefore, multiple battery technologies based on different materials and mechanisms need to be developed and optimized. Incisive tools that could directly probe the chemical reactions in various battery materials are becoming critical to advance the field beyond its conventional trial-and-error approach. Here, we present detailed protocols for soft X-ray absorption spectroscopy (sXAS), soft X-ray emission spectroscopy (sXES), and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) experiments, which are inherently elemental-sensitive probes of the transition-metal 3d and anion 2p states in battery compounds. We provide the details on the experimental techniques and demonstrations revealing the key chemical states in battery materials through these soft X-ray spectroscopy techniques.

Here, we present a protocol for typical experiments of soft X-ray absorption spectroscopy (sXAS) and resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) with applications in battery material studies.

軟 x 線吸収分光と共鳴非弾性 x 線散乱による電池の化学元素高感度検出

Energy storage has become more and more a limiting factor of today's sustainable energy applications, including electric vehicles and green electric grid ...

DNA Origami-Mediated Substrate Nanopatterning of Inorganic Structures for Sensing Applications

Structural DNA nanotechnology provides a viable route for building from the bottom-up using DNA as construction material. The most common DNA nanofabrication technique is called DNA origami, and it allows high-throughput synthesis of accurate and highly versatile structures with nanometer-level precision. Here, it is shown how the spatial information of DNA origami can be transferred to metallic nanostructures by combining the bottom-up DNA origami with the conventionally used top-down lithography approaches. This allows fabrication of billions of tiny nanostructures in one step onto selected substrates. The method is demonstrated using bowtie DNA origami to create metallic bowtie-shaped antenna structures on silicon nitride or sapphire substrates. The method relies on the selective growth of a silicon oxide layer on top of the origami deposition substrate, thus resulting in a patterning mask for following lithographic steps. These nanostructure-equipped surfaces can be further used as molecular sensors (e.g., surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS)) and in various other optical applications at the visible wavelength range owing to the small feature sizes (sub-10 nm). The technique can be extended to other materials through methodological modifications; therefore, the resulting optically active surfaces may find use in development of metamaterials and metasurfaces.

Here, we describe a protocol to create discrete and accurate inorganic nanostructures on substrates using DNA origami shapes as guiding templates. The method is demonstrated by creating plasmonic gold bowtie-shaped antennas on a transparent substrate (sapphire).

センシング用途のための無機構造のDNA折り紙媒介基板ナノパターニング

Structural DNA nanotechnology provides a viable route for building from the bottom-up using DNA as construction material. The most common DNA ...

Covalent Attachment of Single Molecules for AFM-based Force Spectroscopy

Atomic force microscopy (AFM)-based single molecule force spectroscopy is an ideal tool for investigating the interactions between a single polymer and surfaces. For a true single molecule experiment, covalent attachment of the probe molecule is essential because only then can hundreds of force-extension traces with one and the same single molecule be obtained. Many traces are in turn necessary to prove that a single molecule alone is probed. Additionally, passivation is crucial for preventing unwanted interactions between the single probe molecule and the AFM cantilever tip as well as between the AFM cantilever tip and the underlying surface. The functionalization protocol presented here is reliable and can easily be applied to a variety of polymers. Characteristic single molecule events (i.e., stretches and plateaus) are detected in the force-extension traces. From these events, physical parameters such as stretching force, desorption force and desorption length can be obtained. This is particularly important for the precise investigation of stimuli-responsive systems at the single molecule level. As exemplary systems poly(ethylene glycol) (PEG), poly(N-isopropylacrylamide) (PNiPAM) and polystyrene (PS) are stretched and desorbed from SiOx (for PEG and PNiPAM) and from hydrophobic self-assembled monolayer surfaces (for PS) in aqueous environment.

Covalent attachment of probe molecules to atomic force microscopy (AFM) cantilever tips is an essential technique for the investigation of their physical properties. This allows us to determine the stretching force, desorption force and length of polymers via AFM-based single molecule force spectroscopy with high reproducibility.

AFMベースの力分光法のための単一分子の共有結合

Atomic force microscopy (AFM)-based single molecule force spectroscopy is an ideal tool for investigating the interactions between a single polymer and ...