Tailored SERS substrates obtained with cathodic arc plasma ion implantation of gold nanoparticles into a polymer matrix

This manuscript reports on the fabrication of plasmonic substrates using cathodic arc plasma ion implantation, in addition to their performance as SERS substrates. The technique allows for the incorporation of a wide layer of metallic nanoparticles into a polymer matrix, such as PMMA. The ability to pattern different structures using the PMMA matrix is one of the main advantages of the fabrication method. This opens up new possibilities for obtaining tailored substrates with enhanced performance for SERS and other surface-enhanced spectroscopies, as well as for exploring the basic physics of patterned metal nanostructures. The architecture of the SERS-active substrate was varied using three adsorption strategies for incorporating a laser dye (rhodamine): alongside the nanoparticles into the polymer matrix, during the polymer cure and within nanoholes lithographed on the polymer. As a proof-of-concept, we obtained the SERS spectra of rhodamine for the three types of substrates. The hypothesis of incorporation of rhodamine molecules into the polymer matrix during the cathodic arc plasma ion implantation was supported by FDTD (Finite-Difference Time-Domain) simulations. In the case of arrays of nanoholes, rhodamine molecules could be adsorbed directly on the gold surface, then yielding a well-resolved SERS spectrum for a small amount of analyte owing to the short-range interactions and the large longitudinal field component inside the nanoholes. The results shown here demonstrate that the approach based on ion implantation can be adapted to produce reproducible tailored substrates for SERS and other surface-enhanced spectroscopies.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Mécanisme de salissage et de nettoyage en surface de matériaux polymères

Résumé: Le développement de l’industrie des polymères fourni de plus en plus de choix pour la formulation de matériaux pour les couvre-planchers. Les caoutchoucs, le PVC et le linoleum sont les polymères habituellement utilisés dans l’industrie des couvre-planchers. Ce projet répond à un problème de facilité de nettoyage des couvre-planchers de caoutchouc qui sont reconnus pour être mous, collants et ayant une surface rugueuse. L’INTRODUCTION couvrira l’état actuel de la recherche sur les couvre-planchers, surtout en regard au problème de la «nettoyabilité». La théorie pertinente et les informations générales sur les polymères, les composites polymériques et la science des surfaces seront introduites au CHAPITRE 1. Ensuite, le CHAPITRE 2 couvrira la méthode utilisée pour déterminer la nettoyabilité, l’évaluation des résultats ainsi que l’équipement utilise. Le CHAPITRE 3, discutera des premières expériences sur l’effet de la mouillabilité, la rugosité et la dureté sur la facilité de nettoyage des polymères purs. Plusieurs polymères ayant des surfaces plus ou moins hydrophobes seront investigués afin d’observer leur effet sur la nettoyabilité. L’effet de la rugosité sur la nettoyabilité sera investigué en imprimant une rugosité définie lors du moulage des échantillons; l’influence de la dureté sera également étudiée. Ensuite, un modèle de salissage/nettoyage sera établi à partir de nos résultats et observations afin de rationaliser les facteurs, ou « règles », qui détrminent la facilité de nettoyage des surfaces. Finalement, la réticulation au peroxyde sera étudiée comme une méthode de modification des polymères dans le but d’améliorer leur nettoyabilité; un mécanisme découlant des résultats de ces études sera présenté. Le CHAPITRE 4 étendra cette recherche aux mélanges de polymères; ces derniers servent habituellement à optimiser la performance des polymères purs. Dans ce chapitre, les mêmes tests discutés dans le CHAPITRE 3 seront utilisés pour vérifier le modèle de nettoyabilité établi ci-haut. De plus, l’influence de la non-miscibilité des mélanges de polymères sera discutée du point de vue de la thermodynamique (DSC) et de la morphologie (MEB). L’utilisation de la réticulation par peroxyde sera étudié dans les mélanges EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA) afin d’améliorer la compatibilité de ces polymères. Les effets du dosage en agent de réticulation et du temps de cuisson seront également examinés. Finalement, un compatibilisant pré-réticulé a été développé pour les mélanges ternaires EPDM/ (E-ran-MAA(Zn)-ran-BuMA)/ HSR; son effet sur la nettoyabilité et sur la morphologie du mélange sera exposé.

Improving ultrasound excitation systems using a flexible power supply with adjustable voltage and frequency to drive piezoelectric transducers

The ability of a piezoelectric transducer in energy conversion is rapidly expanding in several applications. Some of the industrial applications for which a high power ultrasound transducer can be used are surface cleaning, water treatment, plastic welding and food sterilization. Also, a high power ultrasound transducer plays a great role in biomedical applications such as diagnostic and therapeutic applications. An ultrasound transducer is usually applied to convert electrical energy to mechanical energy and vice versa. In some high power ultrasound system, ultrasound transducers are applied as a transmitter, as a receiver or both. As a transmitter, it converts electrical energy to mechanical energy while a receiver converts mechanical energy to electrical energy as a sensor for control system. Once a piezoelectric transducer is excited by electrical signal, piezoelectric material starts to vibrate and generates ultrasound waves. A portion of the ultrasound waves which passes through the medium will be sensed by the receiver and converted to electrical energy. To drive an ultrasound transducer, an excitation signal should be properly designed otherwise undesired signal (low quality) can deteriorate the performance of the transducer (energy conversion) and increase power consumption in the system. For instance, some portion of generated power may be delivered in unwanted frequency which is not acceptable for some applications especially for biomedical applications. To achieve better performance of the transducer, along with the quality of the excitation signal, the characteristics of the high power ultrasound transducer should be taken into consideration as well. In this regard, several simulation and experimental tests are carried out in this research to model high power ultrasound transducers and systems. During these experiments, high power ultrasound transducers are excited by several excitation signals with different amplitudes and frequencies, using a network analyser, a signal generator, a high power amplifier and a multilevel converter. Also, to analyse the behaviour of the ultrasound system, the voltage ratio of the system is measured in different tests. The voltage across transmitter is measured as an input voltage then divided by the output voltage which is measured across receiver. The results of the transducer characteristics and the ultrasound system behaviour are discussed in chapter 4 and 5 of this thesis. Each piezoelectric transducer has several resonance frequencies in which its impedance has lower magnitude as compared to non-resonance frequencies. Among these resonance frequencies, just at one of those frequencies, the magnitude of the impedance is minimum. This resonance frequency is known as the main resonance frequency of the transducer. To attain higher efficiency and deliver more power to the ultrasound system, the transducer is usually excited at the main resonance frequency. Therefore, it is important to find out this frequency and other resonance frequencies. Hereof, a frequency detection method is proposed in this research which is discussed in chapter 2. An extended electrical model of the ultrasound transducer with multiple resonance frequencies consists of several RLC legs in parallel with a capacitor. Each RLC leg represents one of the resonance frequencies of the ultrasound transducer. At resonance frequency the inductor reactance and capacitor reactance cancel out each other and the resistor of this leg represents power conversion of the system at that frequency. This concept is shown in simulation and test results presented in chapter 4. To excite a high power ultrasound transducer, a high power signal is required. Multilevel converters are usually applied to generate a high power signal but the drawback of this signal is low quality in comparison with a sinusoidal signal. In some applications like ultrasound, it is extensively important to generate a high quality signal. Several control and modulation techniques are introduced in different papers to control the output voltage of the multilevel converters. One of those techniques is harmonic elimination technique. In this technique, switching angles are chosen in such way to reduce harmonic contents in the output side. It is undeniable that increasing the number of the switching angles results in more harmonic reduction. But to have more switching angles, more output voltage levels are required which increase the number of components and cost of the converter. To improve the quality of the output voltage signal with no more components, a new harmonic elimination technique is proposed in this research. Based on this new technique, more variables (DC voltage levels and switching angles) are chosen to eliminate more low order harmonics compared to conventional harmonic elimination techniques. In conventional harmonic elimination method, DC voltage levels are same and only switching angles are calculated to eliminate harmonics. Therefore, the number of eliminated harmonic is limited by the number of switching cycles. In the proposed modulation technique, the switching angles and the DC voltage levels are calculated off-line to eliminate more harmonics. Therefore, the DC voltage levels are not equal and should be regulated. To achieve this aim, a DC/DC converter is applied to adjust the DC link voltages with several capacitors. The effect of the new harmonic elimination technique on the output quality of several single phase multilevel converters is explained in chapter 3 and 6 of this thesis. According to the electrical model of high power ultrasound transducer, this device can be modelled as parallel combinations of RLC legs with a main capacitor. The impedance diagram of the transducer in frequency domain shows it has capacitive characteristics in almost all frequencies. Therefore, using a voltage source converter to drive a high power ultrasound transducer can create significant leakage current through the transducer. It happens due to significant voltage stress (dv/dt) across the transducer. To remedy this problem, LC filters are applied in some applications. For some applications such as ultrasound, using a LC filter can deteriorate the performance of the transducer by changing its characteristics and displacing the resonance frequency of the transducer. For such a case a current source converter could be a suitable choice to overcome this problem. In this regard, a current source converter is implemented and applied to excite the high power ultrasound transducer. To control the output current and voltage, a hysteresis control and unipolar modulation are used respectively. The results of this test are explained in chapter 7.

Nanosphere monolayer-templated, ion-assisted nanofeature etching in dielectric materials : a numerical simulation of nanoscale ion flux topography

The results of numerical simulations of nanometer precision distributions of microscopic ion fluxes in ion-assisted etching of nanoscale features on the surfaces of dielectric materials using a self-assembled monolayer of spherical nanoparticles as a mask are presented. It is shown that the ion fluxes to the substrate and nanosphere surfaces can be effectively controlled by the plasma parameters and the external bias applied to the substrate. By proper adjustment of these parameters, the ion flux can be focused onto the areas uncovered by the nanospheres. Under certain conditions, the ion flux distributions feature sophisticated hexagonal patterns, which may lead to very different nanofeature etching profiles. The results presented are generic and suggest viable ways to overcome some of the limitations of the existing plasma-assisted nanolithography.

Schiff Base Complexes and their Assemblies on Surfaces

Schiff bases and their transition metal complexes are of significant current interest even though they have been prepared for decades. They have been used in various applications such as catalysis, corrosion protection, and molecular sensors. In this study, N-aryl Schiff base ketimine ligands as well as numerous new, differently substituted salen and salophen-type ligands and their cobalt(II), copper(II), iron(II), manganese(II), and nickel(II) complexes were synthesised. New solid state structures of the above compounds and the dioxygen coordination properties of cobalt(II) complexes and catalytic properties of three synthesised binuclear complexes were examined. The prepared complexes were applied in the formation of self-assembled layers on a polycrystalline gold surface and liquid-graphite interface. The effect of metal ion and ligand structure on the as-formed patterns was studied. When studying gold surfaces, a unique thiol-assisted dissolution of elemental gold was observed and a new thin gold foil preparation method was introduced. In the summary, synthesis, structures, and properties of Schiff base ligands and their transition metal complexes are described in detail and the applications of these reviewed. Assemblies of other complexes on a liquid-graphite interface and on a gold surface are also presented, and the surface characterisation methods and surfaces employed are described.

Electrochemical preparation of few layer-graphene nanosheets via reduction of oriented exfoliated graphene oxide thin films in acetamide-urea-ammonium nitrate melt under ambient conditions

Electrochemical reduction of exfoliated graphene oxide, prepared from pre-exfoliated graphite, in acetamide-urea-ammonium nitrate ternary eutectic melt results in few layer-graphene thin films. Negatively charged exfoliated graphene oxide is attached to positively charged cystamine monolyer self-assembled on a gold surface. Electrochemical reduction of the oriented graphene oxide film is carried out in a room temperature, ternary molten electrolyte. The reduced film is characterized by atomic force microscopy (AFM), conductive AFM, Fourier-transform infrared spectroscopy and Raman spectroscopy. Ternary eutectic melt is found to be a suitable medium for the regulated reduction of graphene oxide to reduced graphene oxide-based sheets on conducting surfaces. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Label-free detection of human prostate-specific antigen (hPSA) using film bulk acoustic resonators (FBARs)

Label-free detection of cancer biomarkers using low cost biosensors has promising applications in clinical diagnostics. In this work, ZnO-based thin film bulk acoustic wave resonators (FBARs) with resonant frequency of ∼1.5 GHz and mass sensitivity of 0.015 mg/m2 (1.5 ng/cm2) have been fabricated for their deployment as biosensors. Mouse monoclonal antibody, anti-human prostate-specific antigen (Anti-hPSA) has been used to bind human prostate-specific antigen (hPSA), a model cancer used in this study. Ellipsometry was used to characterize and optimise the antibody adsorption and antigen binding on gold surface. It was found that the best amount of antibody at the gold surface for effective antigen binding is around 1 mg/m2, above or below which resulted in the reduced antigen binding due to either the limited binding sites (below 1 mg/m2) or increased steric effect (above 1 mg/m2). The FBAR data were in good agreement with the data obtained from ellipsometry. Antigen binding experiments using FBAR sensors demonstrated that FBARs have the capability to precisely detect antigen binding, thereby making FBARs an attractive low cost alternative to existing cancer diagnostic sensors. © 2013 Elsevier B.V.

运用含有偶氮苯的自组装单层膜在光化学条件下可逆地控制细胞黏附

细胞生物学研究的一个重要方向是动态地控制细胞在基底上的黏附。最近，随着表面化学的研究深入，尤其是对烷基硫醇在金基底上形成自组装单层膜（self-assembled monolayers, SAMs）这一体系的研究，使得人们能在分子水平的表面上控制细胞黏附。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-aspartate, RGD）序列首先是从细胞外基质蛋白中分离出来的，能够识别并非共价结合细胞膜表面的整合素受体，从而促进细胞黏附。以前的一些工作已经证实，将含有RGD的肽链连接到SAMs表面之后，能够生物特异性地黏附动物细胞。已有的手段比如光照、电压、加热、微电极、微流控以及表面纳米形貌的梯度变化，都不能真正实现可逆地控制细胞黏附，原因是这些方法所用的化学有限；这些方法也不能得到完全抗拒细胞黏附的表面，原因是这些方法产生的表面缺陷等不完整。用两种不同波长的光（紫外光和可见光）照射偶氮苯，偶氮苯会发生可逆的光致异构变化，因此，偶氮苯的光致异构性质可以用来可逆地控制细胞在表面黏附。运用含有偶氮苯的混合SAMs，偶氮苯的末端连接GRGDS肽，混合SAMs中是以末端为六聚乙二醇的硫醇为背景，该SAMs修饰而成的表面能够黏附或者抗拒细胞黏附，其表面黏附性质取决于SAMs中偶氮苯的构象。该方法提供了一种在分子水平的表面上我们所了解到的唯一能可逆控制细胞黏附的方法，该方法需要用到的光源来自于标准荧光显微镜所配置的汞灯。 为了实现在金基底表面可逆的控制细胞黏附，我们合成了如下三个化合物： 由于化合物1的溶解性很差，几乎在所有溶剂里都不溶，所以不能直接用化合物1制备SAMs；化合物2能高效地抗拒细胞的黏附；化合物3的偶氮苯末端是活化酯，能够连接GRGDS肽，从而控制细胞黏附。 将化合物2和化合物3以一定的比例均匀混合在金基底表面形成SAMs，然后将GRGDS肽连接到偶氮苯(反式)的末端（通过GRGDS肽的甘氨酸上的伯胺基与偶氮苯末端的活化酯反应），从而得到细胞黏附的表面。用紫外光照射该细胞黏附表面5-10小时，随着偶氮苯的构象由反式变为顺式，偶氮苯末端的GRGDS肽淹没在化合物2的六聚乙二醇中，得到抗拒细胞黏附的惰性表面。再用可见光照射该惰性表面1个小时，随着偶氮苯的构象由顺式变为反式，原先埋没在六聚乙二醇中的GRGDS肽伸展至单层膜的末端，又得到了细胞黏附的表面。因此，该表面能完全可逆地控制细胞在金表面黏附。 An important area in cell biology is the dynamic control of cell adhesion on substrates. Recent advancements in surface chemistry, in particular, self-assembled monolayers (SAMs) of alkanethiols on gold substrates, have permitted unprecedented control of cell adhesion via molecularly defined surfaces. The tri-peptide sequence arginine-glycine-aspartate (RGD), initially isolated from the extracellular matrix (ECM) proteins, can recognize and non-covalently bind with integrin receptors on cell membranes to promote cell adhesion. Some previous work has demonstrated that RGD peptide grafted on SAMs can allow bio-specific adhesion of mammalian cells that mimic natural adhesion. Existing technologies such as light, voltage, heat, microelectrodes, microfluidic systems and surface gradient of nanotopography, either cannot realize fully reversible control of cell adhesion, due to the limitation in the chemistry used, or cannot yield a surface completely resistant against cell adhesion, due to the imperfection of surfaces. Azobenzenes undergo reversible photo-induced isomerization rapidly at two different wavelengths of light (UV and visible light), it therefore potentially allows the reversible control of cell adhesion on a surface. By using a mixed SAMs presenting azobenzene groups terminated in GRGDS peptides in a background of hexa(ethylene glycol) groups, the surface can either accommodate or resist cell adhesion depending on the conformation of the azobenzene embedded in SAMs. This method provides the only means we know to control cell adhesion reversibly on a molecularly well-defined surface by using light generated by a mercury lamp equipped on standard fluorescence microscopes. To realize the reversible control of cell adhesion on gold surface, we synthesized three kinds of compounds as following, We found that it was difficult to obtain SAMs directly from compound 1 because of its poor solubility in almost all kinds of solvents; compound 2 can resist cell adhesion efficiently; compound 3 presents an azobenzene terminated with NHS-activated ester, which can couple with a GRGDS peptide to control cell adhesion. After coating a gold surface with compound 2 and 3 in appropriate ratios to form a SAM followed by coupling the GRGDS peptides with NHS-activated esters at the end of azobenzene (E configuration) resulted in a cell-adhesive SAM. Irradiating this cell-adhesive SAM with UV light for 5-10 h converted the E configuration of azobenzene into the Z form, the GRGDS peptides becoming masked in the PEG, resulting in a cell-resistant surface. These SAM could again support cell adhesion as a result of the conformational switch of azobenzene from Z to E with the irradiation of visible light for 1 h. This surface, therefore, allows completely reversible control of cell adhesion on a gold surface.

Interaction Between Tripeptide Gly-Gly-His and Cu2+ Probed by Microcantilevers

Gly-Gly-His tripeptide modified microcantilever was developed by carbodiimide attachment of the Gly-Gly-His tripeptide onto a 3-mercaptopropionic acid(MPA) modified gold surface. The interaction of peptide with Cu2+ ion was studied. At a relative high concentration of Cu2+, the cantilever bent toward the gold side initially as the N atom of imidazole ring and carboxyl group in different peptide coordinate with Cu2+, which results in a tensile surface stress. And then the reversed deflection of microcantilever was observed, which implies that the peptide-Cu2+ complex are formed with conformation transition. In another case, i.e., at a relative low concentration Of Cu2+, only the process of conformation transition was observed due to the coordination mode can not be formed initially. The influences of pH and salt concentration of the test solution on the performance of the sensor were studied. The results show that the maximum deflection was obtained at pH 7 and the bonding Of Cu2+ to the Gly-Gly-His tripeptide was inhibited due to the formation Of CuClx2-x.

Immobilization of the nanoparticle monolayer onto self-assembled monolayers by combined sterically enhanced hydrophobic and electrophoretic forces

The immobilization of surface-derivatized gold nanoparticles onto methyl-terminated self-assembled monolayers (SAMs) on gold surface was achieved by the cooperation of hydrophobic and electrophoretic forces. Electrochemical and scanning probe microscopy techniques were utilized to explore the influence of the SAM's structure and properties of the nanoparticle/SAM/gold system. SAMs prepared from 1-decanethiol (DT) and 2-mercapto-3-n-octylthiophene (MOT) were used as hydrophobic substrates. The DT SAM is a closely packed and organized monolayer, which can effectively block the underlying gold and inhibit a variety of solution species including organic and inorganic molecules from penetrating, whereas the MOT monolayer is poorly packed or disorganized (because of a large difference in dimension between the thiophene head and the alkylchain tail) and permeable to many organic probes in aqueous solution but not to inorganic probes. Thus, the MOT monolayer provides a more energetically favorable hydrophobic surface for the penetration and adsorption of organic species than the DT monolayer.

Application of impedance spectroscopy for monitoring colloid Au-enhanced antibody immobilization and antibody-antigen reactions

We used colloidal An to enhance the amount of antibody immobilized on a gold electrode and ultimately monitored the interaction of antigen-antibody by impedance measurement. Self-assembly of 6 nm (diameter) colloidal An onto the self-assembled monolayers (SAMs) of 4-aminothiophenol modified gold electrode resulted in an easier attachment of antibody. The redox reactions of [Fe(CN)(6)](4-)/[Fe(CN)(6)](3-) on the gold surface were blocked due to the procedures of self-assembly of 4-aminothiophenol and antibody immobilization, which were investigated by cyclic voltammetry and impedance spectroscopy. The interaction of antigen with grafted antibody recognition layers was carried out by soaking the modified electrode into a phosphate buffer at pH 7.4 with various concentrations of antigen at 37 degreesC for 30 min. The antibody recognition layers and their interactions with various concentrations of antigen could be detected by measurements of the impedance change. The results show that this method has good correlation for detection of Hepatitis B virus surface antigen in the range of 0.5-200 mug/l and a detection limit of about 50 ng/l.

Immunosensors based on layer-by-layer self-assembled Au colloidal electrode for the electrochemical detection of antigen

Colloidal Au particles have been deposited on the gold electrode through layer-by-layer self-assembly using cysteamine as cross-linkers. Self-assembly of colloidal Au on the gold electrode resulted in ail easier attachment of antibody, larger electrode surface and ideal electrode behavior. The redox reactions of [Fe(CN)(6)]-/[Fe(CN)(6)](3-) on the gold surface were blocked due to antibody immobilization, which were investigated by cyclic voltammetry and impedance spectroscopy. The interaction of antigen with grafted antibody recognition layers was carried out by soaking the modified electrode into a phosphate buffer at pH 7.0 with various concentrations of antigen at 37degreesC for 30 min. Further, an amplification strategy to use biotin conjugated antibody was introduced for improving the sensitivity of impedance measurements. Thus, the sensor based oil this immobilization method exhibits a large linear dynamic range, from 5 - 400 mug/L for detection of Human IgG. The detection limit is about 0.5 mug/L.

Electrochemistry of hydroquinone derivatives at metal and iodine-modified metal electrodes

The difference in the electrochemical behavior of hydroquinone and pyrocatechol. at platinum and gold surfaces was analyzed using voltammetry and attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy. The results show that the hydroquinone derivatives are adsorbed on a gold surface with vertical orientation, which makes the electron transfer between the bulk species and the electrode surface easier than that in the case of flat adsorption of hydroquinone derivatives that occurs at a platinum electrode. The formation of the vertical conformation and the rapid process of electron transfer were also confirmed by quantum chemistry calculations. In addition, the pre-adsorbed iodine on the electrodes played a key role on the adsorbed configuration and. electron transfer of redox species.