Characterization of Chemical Gradients and Antibody Immobilization Using XPS and ARXPS

Význam tématu

Povrchové chemické gradienty poskytují nástroj pro systematické studium vlivu různých povrchových funkcionalit v jediné experimentální platformě. Umožňují ekonomické testování interakcí materiálů, biomolekul nebo dalších látek v závislosti na chemické modifikaci bez nutnosti přípravy řady oddělených vzorků.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo připravit ultra-tenkou ko-polymerní vrstvu se strmým chemickým gradientem od čistého uhlovodíkového plazmového polymeru až po vrstvu bohatou na karboxylové skupiny. Gradientní povrch sloužil též jako podklad pro kontrolovanou imobilizaci protilátek bovinní IgG. Analytickou charakterizaci zajistila kombinace standardního XPS a úhlově rozlišeného XPS (ARXPS).

Použitá metodika a instrumentace

Pro přípravu gradientu:

• Plazmová polymerace s plynulou změnou poměru monomerů 1,7-oktadien a akrylové kyseliny na pohybujícím se křemíkovém substrátu.

Pro analýzu:

• XPS (Thermo Scientific Theta Probe) pro určení chemických stavů Si, C a N.
• Angle-Resolved XPS pro nenásilné hloubkové profilování a stanovení tloušťky ko-polymerní vrstvy (Multi-overlayer Thickness Calculator v Avantage software).

Pro imobilizaci protilátek:

• Aktivace povrchu pomocí EDC/NHS pro tvorbu reaktivních NHS-esterů.
• Vazba bovinní IgG na aktivované karboxylové skupiny.

Hlavní výsledky a diskuse

1. Gradient chemického složení potvrzen z C 1s spekter, od převažujícího C–C/C–H na oktadienovém konci po C–O a O=C–O na straně s akrylovou kyselinou.
2. Si 2p signál ukázal velmi tenkou, ale kontinuální ko-polymerní vrstvu nad oxidem křemíku. Tloušťka vrstvy mírně klesá s rostoucím podílem akrylové kyseliny (~2 nm rozdíl mezi extrémy).
3. ARXPS umožnilo hloubkové profilování bez destrukce – potvrdilo rovnoměrné rozložení monomerů napříč tloušťkou vrstvy a přítomnost diskrétní vrstvy oxidovaného křemíku na rozhraní.
4. Na gradientní povrch se úspěšně navázaly EDC/NHS reaktivní skupiny podle koncentrace karboxylů (N 1s signál). Protilátky však vykazovaly kombinaci specifické a nespecifické adsorpce, přičemž N 1s signál v místě C–C/C–H naznačil potřebu účinnějšího odmytí nespecificky vázaných proteinů.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda umožňuje:

• Rychlé a efektivní vyhodnocení vlivu skupin funkčních monomerů na imobilizaci biomolekul.
• Optimalizaci podmínek aktivace povrchu a vazby protilátek v jediném experimentu.
• Kvantitativní stanovení rozložení chemických funkcí i tloušťky tenkých vrstev.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje:

• Využití mikropatterningu pro prostorově selektivní gradienty a multiplexní testy.
• Integrace s mikrofluidními systémy pro dynamické změny složení plazmy i přímé sledování vazby biomolekul v reálném čase.
• Zlepšení protokolů pro odstranění nespecificky vázaných proteinů, např. modifikace mycélových nebo enzymatických postupů.

Závěr

Studie demonstrovala schopnost XPS a ARXPS podrobně charakterizovat chemické gradienty a navázání protilátek na ultra-tenkých plazmových ko-polymerech. Metoda poskytuje komplexní pohled na povrchové složení, hloubkové rozložení a tloušťku vrstvy a je silným nástrojem pro vývoj funkčních biointerfacingových materiálů.

Reference

• Thermo Fisher Scientific. Application Note 31070: Characterization of Chemical Gradients and Antibody Immobilization Using XPS and ARXPS, 2008.