Charakterisierung des Ladungstransfers von immobilisiertem Cytochrom c

Salomon, Oliver; Offenhäusser, Andreas

doi:HT014754835

Charakterisierung des Ladungstransfers von immobilisiertem Cytochrom c = Characterization of charge transfer of immobilized cytochrome c

Salomon, Oliver (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Oliver Salomon

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangII, 120 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-05-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-15252
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61054/files/Salomon_Oliver.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Cytochrom c (Genormte SW) ; Proteine (Genormte SW) ; Selbstorganisation (Genormte SW) ; Rastertunnelmikroskopie (Genormte SW) ; Rastertunnelmikroskop (Genormte SW) ; Nanodraht (Genormte SW) ; Ladungstransfer (Genormte SW) ; Elektronentransfer (Genormte SW) ; Technische Chemie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 660

Kurzfassung
Ziel der Arbeit war es den Ladungstransfer von redoxaktiven Proteinen mitneuen Techniken zu untersuchen. Insbesondere sollte das Verhalten von einzelnen Proteinen untersucht werden, um ein umfassendes und tiefes Verständnis des Ladungstransfers und der beeinflussenden Parameter zu erlangen.Da integrierende Methoden die Untersuchung des Ladungsdurchtritts durch eineinzelnes Protein nicht ermöglichen, sollte ein Molekül zwischen zwei nanoskopischen Elektroden kontaktiert und der Durchflussstrom gemessen werden. Als redoxaktives Protein wurde Cytochrom c (Cyt c) gewählt, da dieses eingut charakterisiertes System darstellt. Die Immobilisierung von Cyt c erfolgte auf einer selbstorganisierten Monolage (SAM) eines carboxylterminierten Thiols auf Gold. Zur Kontaktierung wurden zwei aus der molekularen Elektronik entlehnte Ansätze verfolgt. In einer vertikalen Anordnung wurde Cyt c mitder Spitze eines Rastertunnelmikroskops (STM) lokal addressiert. In einer horizontalen Anordnung sollte Cyt c mit zwei Nanodrähten kontaktiert werden. Die Oberfläche der bei Raumtemperatur assemblierten Mercaptopropionsäure (MPA)Schicht bestand aus geordneten Domänen, die von Löchern durchzogen waren. Die Löcher entsprachen der monoatomaren Stufenhöhe der Au(111) Terrassen. Temperaturerhöhung während der Selbstorganisation der MPA-Moleküle führte zur Reifung der Löcher. Durch Temperaturerhöhung konnte die kinetische Hemmung zur Erreichung der thermodynamisch stabileren SAM ohne Löcher überwunden werden. Für die SAM von Mercaptoundecansäure(MUA) zeigte sich eine Zeitabhängigkeit für die Selbstorganisation. Kurze Assemblierungszeit (3 h) zeigte ungeordnete Alkylreste, wohingegen sich nach 24 h eine geordnete Struktur ausbildete. Für eine ungeordnete SAM war die Ausbildung von H-brücken der Carboxylgruppen untereinander erschwert. Eine Deprotonierung wurde erleichtert und somit die elektrostatische Wechselwirkung zu den positiv geladenen Lysingruppen von Cyt c begünstigt. Für eine ungeordnete SAM beobachtete man erhöhte Adsorption von Cyt c. Der strukturelle Aufbaus des Systems (Cyt c, SAM, Au-Elektrode) wurde mit der QCM, der SPR und dem AFM chrakterisiert. Diese Messungen belegten deutlich die Adsorption des Proteins auf der SAM. Zudem zeigte sich ein Einfluss der Ionenstärke (I) auf das Adsorptionsverhalten von Cyt c. Bei hohen I bildeten sich Agglomerate, wohingegen sich bei geringer I eine Monolage ausbildete.Durch die Zyklovoltammetrie (CV) erhielt man den Hinweis auf einen Einelektronenübertrag einer immobiliserten Proteinschicht.Weiterhin zeigte sich mit der CV, dass sich Goldnanopartikelauf adsorbiertem Rinder Cyt c immobilisieren lassen. STM Aufnahmenvon diesem System zeigten potentialabhängige 3 nm Strukturen (Cyt c). Erklärung für die Potentialabhängigkeit und der damit wechselnden Leitfähigkeit besteht in der Möglichkeit eines resonanten Tunnelprozesses. Eine erhöhte Leitfähigkeit war zu beobachten, wenn sich Energieniveaus des Proteins mit der Fermienergie von Au in Resonanz befanden. Eine lokale Adressierung mit der Rastertunnelmikroskopie war möglich. Um die Daten zu verifizieren wurde als Ansatz eine Kontaktierung mit einem Paar gegenüberliegender Goldnanoelektroden mit molekularem Abstand auf einem Mikrochip verfolgt. Elektrokorrosion von elektronenstrahllithographisch hergestellten Golddrähten ermöglichte die Synthese von Nanokontakten und Tunnelgräben. Während des Ätzprozesses konnte Quantenleitfähigkeit und Tunnelverhalten gezeigt werden. Die dabei entstehenden Strukturen waren allerdings sehr fraktal. Für eine monomolekulareCharakterisierung eines Proteins ist eine definierte Struktur unabdingbar. Weiterhin zeigte sich ein Einfluss der Potentialvorschubgeschwindigkeit der Redoxzyklen beim Ätzen auf die Struktur der Nanodrähte.Bei langsamerem Ätzen war eine etwas definiertere Struktur erkennbar. Es bleibtGegenstand weiterer Forschung das Protein in einen Tunnelgraben zu immobilisieren.

The Aim of this work was to study the charge transfer of redoxactive proteinswith new techniques. Especially the behavior of individual proteins should be observed to obtain a clear and deep insight in the charge transfer and its influencing parameters. Since methods that integrate over a large number of proteins do not allow the measurement of single charge transfer, strategies should be developed to contact a single molecule with two conductors to measure the transient current. In this work cytochrome c (Cyt c) was chosen as redoxactive protein, because it is a relatively well characterized system. Cyt c was immobilized to goldelectrodes via a self assembled monolayer (SAM) ofa carboxylic terminated thiol. In order to contact a single molecule twoapproaches from molecular electronics were pursued. In a vertical adjustmentCyt c was contacted with the tip of a scanning tunneling microscope (STM).In a horizontal approach Cyt c should be contacted between a pair ofnanowires.The adlayer surface of mercaptopropionic acid (MPA), which was assembled at room temperature, consists of ordered domains with holes. The holes equal monoatomic steps of the Au(111) terraces. A temperature increase during self organization of the MPA molecules leads to a ripening of the holes. The kinetic inhibition to reach the thermodynamic more stable SAM without holes can be overcome with increasing temperature. Further a clear time dependence is observed for the self organization. The alkyl chains of the SAM consisting of mercaptoundecanoic acid (MUA) are unordered for a short assembly time (3 h). However after 24 h assembling the molecules form an ordered densely packed adlayer. The formation of hydrogen bonds of the carboxylic groups among each other is aggravated for a unordered SAM of MUA, a deprotonation is alleviated and thus the electrostatic interaction to the positive lysin groups of the protein advantaged. A increased protein adsorption is observed on a unordered SAM. In order to characterize the structure of the supramolecular system (Cyt c, SAM, Au-electrode) QCM, SPR and AFM measurements were carried out. These measurements clearly proof the adsorption of proteins on the SAM. Further more an influence of ionic strength on the adsorption behavior of Cyt c was observed. At higher ionic strengthes agglomerates were formed, whereas at lower ionic strengthes formation of a monolayer was observed.A single electron transfer of a immobilized proteinmonolayer is shown withcyclic voltammetry. Goldnanoparticles were immobilized to adsorbed yeast cytochrome c, which was proven with cyclic voltammetry. STM images of this system showed structure characteristics with a lateral dimension of 3 nm (diamter of Cyt c). Potential depending height profiles were observed for some of these objects. This phenomenon cab be described by changing conductanceof the protein due to a resonant tunneling process. An increased conductance isobserved, when energetic levels of the protein are in resonance with the fermienergy of the gold substrate. A local addressing with STM was possible. In order to reproduce and verify the data of the STM approach a contact was fabricated with a pair of facing goldelectrodes in molecular distance on a mikrochip. The nanocontacts were engineered by defining a gold nanowire with e-beam lithography and subsequently electrochemical etching. During etching quantum conductance tunneling behavior was observed. However the realized junctions showed very fractal structure. For the characterization of a single protein a well defined structure is indispensable. An improvement of the nanocontact structure was achieved by reducing the potential sweeping rates during the electro corrosion process.

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