Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


Измерение метаболитов в живых клетках при помощи углеродных наноэлектродов

Работа №6774
Тип работыДипломные работы
Предметбиология
Объем работы69
Год сдачи2015
Стоимость6000 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено 183
Не подходит работа?

Узнай цену на написание
Содержание
Введение 4
Цели и задачи 7
1. Обзор сенсоров на основе нанопипеток. 8
1.1 Нанофлюидика в нанопипетках. 9
1.2 Биосенсоры на нанопипетках. 11
1.3 Нанопипетки для переноса материала. 14
1.4 Нанопипетки для сканирования. 16
1.5 Ион-селективные нанопипетки. 18
1.6 Функционализация нанопипеток. 19
1.7 Многоканальные нанопипетки. 20
1.8 Перспективы нанопипеток. 21
1.9. Заключение. 23
2. Текущие технологии для измерения концентрации кислорода. 23
2.1 Зонды. 24
2.2 Микрозонды. 25
2.3 Методы, основанные на реагентах. 26
3. Развивающиеся технологии для измерения кислорода 26
3.1.Микрореспирометрия. 26
3.2 Автореферентные потоковые сенсоры. 28
3.4 Оксиметрия на основе электронного парамагнитного резонанса. 29
3.5 Лаборатория на чипе и биочипы. 29
3.6 Наносенсоры. 30
4 Создание углеродного наноэлектрода 33
4.1 Теоретическе описание углеродного наноэлектрода 38
4.2 Характеризация углеродных наноэлектродов при помощи электрохимии. 43
4.3 Функционализация наноэлектродов. 45
5 Экспериментальная часть. 48
5.1 Приготовление наноэлектродов 48
5.2 Измерение концентрации кислорода у клеточной стенки водоросли
Chara corallina. 50
5.3 Измерение концентрации кислорода у поверхности клетки на свету и в темноте 53
5.4 Изучение механорецепторного ответа растительной клетки. 54
5.6 Эксперимент с подавлением фотосинтеза. 56
5.7 Эксперимент с подавлением дыхания. 58
5.8 Эксперимент с подавлением работы НАДФ•Н-оксидазы. 60
5.9 Измерение перекиси водорода. 60
Заключение 63
Выводы 64
Список литературы 65


Кислород играет важную роль в жизненном цикле клеток растений и животных. Он участвует во множестве важных процессов фотосинтетических организмов, включая биоэнергетический обмен, метаболизм и реакцию на стресс. Кислород вовлечен в фотосинтез, дыхание и другие окислительные процессы. Известно, что скорость метаболизма в пространственно разнесенных клетках растений подвержена влиянию абиотического стресса. В ходе анаэробного метаболизма, клетки продуцируют активные формы кислорода (АФК) в качестве сопутствующих веществ. Растения так же образуют АФК в ходе адаптации к стрессу.
Активные формы кислорода являются высокореактивными ионами и молекулами, образованными в результате неполного восстановления кислорода. Они включают в себя синглетный кислород (1O2), супероксид O_2^-, перекись водорода H_2 O_2 и гидроксил радикал 〖OH〗^-. В живых клетках с аэробным метаболизмом, АФК образуются в результате естественного процесса поглощения кислорода. Так же существуют другие пути образования АФК, например, под действием ультрафиолета, вредных газов или как ко-продукты в результате работы клеточных энзимов, включая НАДФ•Н-оксидазы. Вследствие высокой реакционной способности, АФК могут причинить непоправимый вред жирам, белкам, ДНК и даже вызвать смерть клетки. Среди различных АФК, перекись водорода является одной из самых высокотоксичных форм, потому что времени ее жизни достаточно для диффузии в любую органеллу клетки. Более того, она является источником гидроксил-радикалов 〖OH〗^-, которые и ответственны за первичные повреждения биологических молекул.
В то же время АФК играют важную физиологическую роль, участвуя в огромном количестве сигнальных путей, регулирующих клеточный метаболизм, пролиферацию или механизмы защиты. Для того чтобы АФК можно было безопасно использовать в качестве сигнальных молекул, клетки имеют антиоксидантную защиту, которая регулирует количество АФК. Тем не менее, в случае нарушения гомеостаза возникает избыточное количество АФК и наступает состояние оксидативного стресса (Рисунок 1).
был разработан способ воспроизводимого создания наноуглеродного электрода
в результате предварительного травления и последующей модификации наноуглеродного электрода платиной, был создан сенсор на O_2 и H_2 O_2 с повышенной стабильностью
достигнутый предел детекции Н2О2 сенсором имеет порядок 〖10〗^(-6) M
при помощи платинизированного наноэлектрода было показано, что падение концентрации кислорода после микроперфорации клеточной стенки водоросли Chara corallina происходит за счет активации работы НАДФ•Н-оксидазы

Благодарность
Автор выражает искреннюю признательность научным руководителям – д.ф.-м.н., профессору кафедры физики полимеров и кристаллов Яминскому И.В, к.ф-м.н. Горелкину П.В. и к.ф-м.н. Ерофееву А.С. за большую методическую помощь в подготовке дипломного проекта. Объявляется благодарность коллективам лабораторий зондовой микроскопии и биоэлектрохимии за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований по теме дипломной работы. Отдельная благодарность выражается к.б.н. Комаровой А.В. за огромную помощь в проведении экспериментов в лаборатории биоэлектрохимии.


1. Advanced Micropipette Techniques for Cell Physiology by K.T. Brown - 1987
2. Functionalized nanopipettes: toward label-free, single cell biosensors. / P. Actis, A. C. Mak, N. Pourmand // Bioanal. Rev. – 2010. – Т. 1 – № 2-4 – 177–185с.
3. Scanning ion conductance microscopy. / C.-C. Chen, Y. Zhou, L. A. Baker // Annu. Rev. Anal. Chem. (Palo Alto. Calif). – 2012. – Т. 5 – 207–28с.
4. C Laslau, DE Williams, J Travas-Sejdic, Prog. Poly. Sci. 37, 1177 (2012)
5. Bioimaging with Micro/Nanoelectrode Systems / T. MATSUE // Anal. Sci. – 2013. – Т. 29 – № 2 – 171–179с.
6. Applications of nanopipettes in the analytical sciences. / C. A. Morris, A. K. Friedman, L. A. Baker // Analyst – 2010. – Т. 135 – № 9 – 2190–202с.
7. Single cell analysis at the nanoscale. / X. T. Zheng, C. M. Li // Chem. Soc. Rev. – 2012. – Т. 41 – № 6 – 2061–71с.
8. Single-molecule sensing electrode embedded in-plane nanopore. / M. Tsutsui, S. Rahong, Y. Iizumi, T. Okazaki, M. Taniguchi, T. Kawai // Sci. Rep. – 2011. – Т. 1 – 46с.
9. Dynamic control of nanoprecipitation in a nanopipette. / B. Vilozny, P. Actis, R. A. Seger, N. Pourmand // ACS Nano – 2011. – Т. 5 – № 4 – 3191–7с.
10. Improved ion-selective detection method using nanopipette with poly(vinyl chloride)-based membrane. / E. J. Kang, T. Takami, X. L. Deng, J. W. Son, T. Kawai, B. H. Park // J. Phys. Chem. B – 2014. – Т. 118 – № 19 – 5130–4с.
11. Quantitative Characterization of Local Chemical Delivery through Nanopipette / B. Babakinejad, T. Yasufumi, P. Jönsson, P. Novak, A. Shevchuk, U. Anand, D. Klenerman, Y. Korchev // Biophys. J. – 2012. – Т. 102 – № 3 – 313aс.
12. Rectification of Ion Current in Nanopipettes by External Substrates / N. Sa, W.-J. Lan, W. Shi, L. A. Baker // ACS Nano – 2013. – Т. 7 – № 12 – 11272–11282с.
13. Label-free biosensing with functionalized nanopipette probes. / S. Umehara, M. Karhanek, R. W. Davis, N. Pourmand // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. – 2009. – Т. 106 – № 12 – 4611–6с.
14. In situ intracellular spectroscopy with surface enhanced Raman spectroscopy (SERS)-enabled nanopipettes. / E. A. Vitol, Z. Orynbayeva, M. J. Bouchard, J. Azizkhan-Clifford, G. Friedman, Y. Gogotsi // ACS Nano – 2009. – Т. 3 – № 11 – 3529–36с.
15. Reversible cation response with a protein-modified nanopipette. / B. Vilozny, P. Actis, R. A. Seger, Q. Vallmajo-Martin, N. Pourmand // Anal. Chem. – 2011. – Т. 83 – № 16 – 6121–6с.
16. Electrochemical nanoprobes for single-cell analysis / P. Actis, S. Tokar, J. Clausmeyer, B. Babakinejad, S. Mikhaleva, R. Cornut, Y. Takahashi, A. López Córdoba, P. Novak, A. I. Shevchuck, J. a. Dougan, S. G. Kazarian, P. V. Gorelkin, A. S. Erofeev, I. V. Yaminsky, P. R. Unwin, W. Schuhmann, D. Klenerman, D. a. Rusakov, E. V. Sviderskaya, Y. E. Korchev // ACS Nano – 2014. – Т. 8 – № 1 – 875–884с.
17. Nanometer-Scale Deposition of Metal Plating Using a Nanopipette Probe in Liquid Condition / S. Ito, F. Iwata // Jpn. J. Appl. Phys. – 2011. – Т. 50 – № 8 – 08LB15с.
18. Electrochemical fountain pen nanofabrication of vertically grown platinum nanowires / A. P. Suryavanshi, M.-F. Yu // Nanotechnology – 2007. – Т. 18 – № 10 – 105305с.
19. An addressable antibody nanoarray produced on a nanostructured surface. / A. Bruckbauer, D. Zhou, D.-J. Kang, Y. E. Korchev, C. Abell, D. Klenerman // J. Am. Chem. Soc. – 2004. – Т. 126 – № 21 – 6508–9с.
20. The application of nanopipettes to conducting polymer fabrication, imaging and electrochemical characterization / C. Laslau, D. E. Williams, J. Travas-Sejdic // Prog. Polym. Sci. – 2012. – Т. 37 – № 9 – 1177–1191с.
21. Low-volume liquid delivery and nanolithography using a nanopipette combined with a quartz tuning fork-atomic force microscope. / S. An, C. Stambaugh, G. Kim, M. Lee, Y. Kim, K. Lee, W. Jhe // Nanoscale – 2012. – Т. 4 – № 20 – 6493–500с.
22. Targeted delivery of a decoy oligodeoxynucleotide to a single ES cell by femtoinjection. / H. Funabashi, S. Oura, M. Saito, H. Matsuoka // Nanomedicine – 2013. – Т. 9 – № 7 – 855–63с.
23. Scanning ion conductance microscopy for imaging biological samples in liquid: a comparative study with atomic force microscopy and scanning electron microscopy. / T. Ushiki, M. Nakajima, M. Choi, S.-J. Cho, F. Iwata // Micron – 2012. – Т. 43 – № 12 – 1390–8с.
24. Integrated ultramicroelectrode-nanopipet probe for concurrent scanning electrochemical microscopy and scanning ion conductance microscopy. / D. J. Comstock, J. W. Elam, M. J. Pellin, M. C. Hersam // Anal. Chem. – 2010. – Т. 82 – № 4 – 1270–6с.
25. Ion Current Oscillation in Glass Nanopipettes / X. L. Deng, T. Takami, J. W. Son, T. Kawai, B. H. Park // J. Phys. Chem. C – 2012. – Т. 116 – № 28 – 14857–14862с.
26. Direct observation of potassium ions in HeLa cell with ion-selective nano-pipette probe / T. Takami, F. Iwata, K. Yamazaki, J. Wan Son, J.-K. Lee, B. Ho Park, T. Kawai // J. Appl. Phys. – 2012. – Т. 111 – № 4 – 044702с.
27. Development of Novel Nanopipette with a Lipid Nanotube as Nanochannel Dept. of Micro-Nano Syst. Eng., Nagoya Univ., Nagoya,DOI: 10.1109/NANO.2007.4601400 • Source: IEEE Xplore, Conference: Nanotechnology, 2007. IEEE-NANO 2007. 7th IEEE Conference on
28. Voltage controlled nano-injection system for single-cell surgery. / R. Adam Seger, P. Actis, C. Penfold, M. Maalouf, B. Vilozny, N. Pourmand // Nanoscale – 2012. – Т. 4 – № 19 – 5843–6с.
29. Multifunctional nanoprobes for nanoscale chemical imaging and localized chemical delivery at surfaces and interfaces. / Y. Takahashi, A. I. Shevchuk, P. Novak, Y. Zhang, N. Ebejer, J. V Macpherson, P. R. Unwin, A. J. Pollard, D. Roy, C. A. Clifford, H. Shiku, T. Matsue, D. Klenerman, Y. E. Korchev // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. – 2011. – Т. 50 – № 41 – 9638–42с.
30. Development of Beetle-Type Robot with Sub-Micropipette Probe / T. Takami, X. L. Deng, J. W. Son, B. H. Park, T. Kawai // Jpn. J. Appl. Phys. – 2012. – Т. 51 – № 8S3 – 08KB12с.
31. Multifunctional carbon-nanotube cellular endoscopes. / R. Singhal, Z. Orynbayeva, R. V. Kalyana Sundaram, J. J. Niu, S. Bhattacharyya, E. A. Vitol, M. G. Schrlau, E. S. Papazoglou, G. Friedman, Y. Gogotsi // Nat. Nanotechnol. – 2011. – Т. 6 – № 1 – 57–64с.
32. Electrospray ionization from nanopipette emitters with tip diameters of less than 100 nm. / E. M. Yuill, N. Sa, S. J. Ray, G. M. Hieftje, L. A. Baker // Anal. Chem. – 2013. – Т. 85 – № 18 – 8498–502с.
33. Scanning ion conductance microscopy: a nanotechnology for biological studies in live cells. / B.-C. Liu, X.-Y. Lu, X. Song, K.-Y. Lei, A. A. Alli, H.-F. Bao, D. C. Eaton, H.-P. Ma // Front. Physiol. – 2012. – Т. 3 – 483с.
34. Highly sensitive, all solid state fibre optic oxygen sensor based on the sol-gel coating technique / M. K. Krihak, M. R. Shahriari // Electron. Lett. – 1996. – Т. 32 – № 3 – 240с.
35. Photostable Optical Oxygen Sensing Material: Platinum Tetrakis(pentafluorophenyl)porphyrin Immobilized in Polystyrene / S.-K. Lee, I. Okura // Anal. Commun. – 1997. – Т. 34 – № June – 185–188с.
36. Novel optical trace oxygen sensors based on platinum(II) and palladium(II) complexes with 5,10,15,20-meso-tetrakis-(2,3,4,5,6-pentafluorphenyl)-porphyrin covalently immobilized on silica-gel particles. / S. M. Borisov, P. Lehner, I. Klimant // Anal. Chim. Acta – 2011. – Т. 690 – № 1 – 108–15с.
37. Method to Estimate Practical Radial Oxygen Loss of Wetland Plant Roots / T. Matsui, T. Tsuchiya // Plant Soil – 2006. – Т. 279 – № 1-2 – 119–128с.
38. Multiplex bacterial growth monitoring in 24-well microplates using a dual optical sensor for dissolved oxygen and pH / A. S. Kocincová, S. Nagl, S. Arain, C. Krause, S. M. Borisov, M. Arnold, O. S. Wolfbeis // Biotechnol. Bioeng. – 2008. – Т. 100 – № 3 – 430–438с.
39. An imaging method for oxygen distribution, respiration and photosynthesis at a microscopic level of resolution / H. Tschiersch, G. Liebsch, L. Borisjuk, A. Stangelmayer, H. Rolletschek // New Phytol. – 2012. – Т. 196 – № 3 – 926–936с.
40. Self-referencing optrodes for measuring spatially resolved, real-time metabolic oxygen flux in plant systems / E. S. McLamore, D. Jaroch, M. R. Chatni, D. M. Porterfield // Planta – 2010. – Т. 232 – № 5 – 1087–1099с.
41. Theory, Instrumentation, and Applications of EPR Oximetry/ Ahmad, Rizwan, and Periannan Kuppusamy//.”Chemical reviews 110.5 (2010): 3212–3236.
42. Nanostructuring platinum nanoparticles on multilayered graphene petal nanosheets for electrochemical biosensing / J. C. Claussen, A. Kumar, D. B. Jaroch, M. H. Khawaja, A. B. Hibbard, D. M. Porterfield, T. S. Fisher // Adv. Funct. Mater. – 2012. – Т. 22 – № 16 – 3399–3405с.
43. Microparticle ratiometric oxygen sensors utilizing near-infrared emitting quantum dots / B. B. C. amd Saurabh Singh, M. McShane // Analyst – 2011. – Т. 136 – № 5 – 962–967с.
44. Functional and structural imaging of phototrophic microbial communities and symbioses / M. Kühl, L. Polerecky // Aquat. Microb. Ecol. – 2008. – Т. 53 – № 1 – 99–118с.
45. Measurement of intracellular oxygen levels using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM), 2005. – 585907–585907–10с.
46. Intracellular oxygen-sensitive phosphorescent probes based on cell-penetrating peptides / R. I. Dmitriev, A. V. Zhdanov, G. V. Ponomarev, D. V. Yashunski, D. B. Papkovsky // Anal. Biochem. – 2010. – Т. 398 – № 1 – 24–33с.
47. Electrochemical nanoprobes for single-cell analysis / P. Actis, S. Tokar, J. Clausmeyer, B. Babakinejad, S. Mikhaleva, R. Cornut, Y. Takahashi, A. López Córdoba, P. Novak, A. I. Shevchuck, J. a. Dougan, S. G. Kazarian, P. V. Gorelkin, A. S. Erofeev, I. V. Yaminsky, P. R. Unwin, W. Schuhmann, D. Klenerman, D. a. Rusakov, E. V. Sviderskaya, Y. E. Korchev // ACS Nano – 2014. – Т. 8 – № 1 – 875–884с.
48. Theories of ultramicrodisc electrodes: Review article / C. A. Basha, L. Rajendran // Int. J. Electrochem. Sci. – 2006. – Т. 1 – 268–282с.
49. A Theoretical Study on the Diffusion Current at the Stationary Electrodes of Circular and Narrow Band Types / Y. Saito // Rev. Polarogr. – 1968. – Т. 15 – № 6 – 177–187с.
50. Scanning Electrochemical Microscopy (SECM): an investigation of the effects of tip geometry on amperometric tip response / J. L. Amphlett, G. Denuault // J. Phys. Chem. B – 1998. – Т. 102 – 9946–9951с.
51. Probing Ion Transfer at the Liquid / Liquid Interface by Scanning Electrochemical Microscopy ( SECM ) / Y. Shao, M. V Mirkin – 1998. – 9915–9921с.
52. Convolutive modelling of the disk electrode geometry under reversible conditions / P. J. Mahon, K. B. Oldham // Electrochim. Acta – 2004. – Т. 49 – № 28 – 5049–5054с.
53. New analytical approximation of feedback approach curves with a microdisk SECM tip and irreversible kinetic reaction at the substrate / R. Cornut, C. Lefrou // J. Electroanal. Chem. – 2008. – Т. 621 – № 2 – 178–184с.
54. ELECTROCHEMICAL METHODS: Fundamentals and applications / A. J. Bard, L. R. Faulkner – , 2001.
55. Microelectrodes : Theory and Applications / M. I. Montenegro, J. L. Daschbach.

Работу высылаем на протяжении 24 часов после оплаты.

Пожалуйста, укажите откуда вы узнали о сайте!
Обновить рисунок

© 2008-2018 Сервис продажи готовых курсовых работ, дипломных проектов, рефератов, контрольных и прочих студенческих работ.