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Surface characterization of chemically modified electrodes with gold nanoparticles and (His)6-rHbI from Luciana pectinata for H2S Detection
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Abstract
The recombinant polyhistidine-tagged hemoglobin I ((His)6-rHbI) from bivalve Lucina pectinata is an ideal biocomponent for a hydrogen sulfide (H2S) biosensor due to its high affinity for H2S. Nowadays it is clear that H2S is involved in modulating various physiological responses including anti-inflammation, neuromodulation, and vasoregulation. However, a robust and reliable sensor to measure H2S in biological samples is still needed. There are also many studies regarding the potential of therapeutic approaches employing H2S for various clinical applications. In this work, we immobilized the (His)6-rHbI over a solid surface modified with functionalized gold nanoparticles. Electrodeposition of gold nanoparticles over gold, glassy carbon, and fluorine-doped tin oxide surfaces was achieved using the constant potential electrolysis method. The attenuated total reflection (ATR) Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis of the modified-gold electrode, displays bands of amide I and amide II characteristic of primarily alpha-helix structure. This result implies the presence of (His)6-rHbI over the electrode surface. Also, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results showed a new peak after protein interaction corresponding to nitrogen and a calculated overlayer thickness of 5.3 nm. Cyclic Voltammetry (CV) was performed throughout the process to show differences between electrodes. The modification process was electrochemically evaluated by using a potassium ferricyanide solution (K3Fe(CN)6). The results show that the adsorption of the recombinant hemeprotein hinder the electron transfer of the redox probes Fe(CN)6^(3-/4-). The functionality of the immobilized hemoprotein was established by direct current potential amperometry, using H2S as the analyte, validating its activity after immobilization. The current response to H2S concentrations was monitored over time giving a linear relationship from 30 to 700 nM with a corresponding sensitivity of 3.2 x 10^-3 nA/nM. These results confirm that the analyzed gold nanostructured platform provides an efficient and strong link for polyhistidine-tag protein immobilization over gold and glassy carbon surfaces for future biosensors development.
La hemoglobina I recombinada con una cola de histidinas ((His)6-rHbI), del bivalvo Lucina pectinata, es un biocomponente ideal para un biosensor de sulfuro de hidrógeno (H2S) debido a su alta afinidad por el H2S. Actualmente es conocido que el H2S está involucrado en la modulación de varias respuestas fisiológicas que incluyen la anti-inflamación, la neuromodulación y la vasoregulación. Sin embargo, todavía se necesita un sensor robusto y confiable para medir H2S en muestras biológicas. También hay muchos estudios relacionados al potencial de enfoques terapéuticos donde se utiliza H2S en diversas aplicaciones clínicas. En este trabajo, inmovilizamos la (His)6-rHbI sobre una superficie sólida modificada con nanopartículas de oro funcionalizadas. La electrodeposición de las nanopartículas de oro sobre las superficies de oro, carbono vítreo y óxido de estaño dopado con flúor se logró utilizando el método de electrólisis de potencial constante. El análisis de la espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) y reflexión total atenuada (ATR) del electrodo de oro modificado muestra las bandas de amida I y amida II que son características de una estructura mayormente de hélice alfa. Ese resultado implica la presencia de (His)6-rHbI sobre la superficie del electrodo. Además, los resultados de la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) muestran un nuevo pico después de la interacción de la proteína correspondiente al nitrógeno y un espesor de la capa calculada de 5.3 nm. La voltametría cíclica (CV) se llevó a cabo durante todo el proceso para mostrar las diferencias entre los electrodos. El proceso de modificación se evaluó electroquímicamente utilizando una solución de ferrocianuro de potasio (K3Fe (CN)6). Los resultados muestran que la adsorción de la hemoproteína recombinada dificulta la transferencia de electrones de las sondas redox Fe(CN)6 3-/4-. La funcionalidad de la hemoproteína inmovilizada se estableció mediante amperometría potencial de corriente directa, utilizando H2S como analito, validando su actividad después de la inmovilización. La respuesta actual a las concentraciones de H2S se monitorizó a lo largo del tiempo dando una relación lineal de 30 a 700 nM con una sensibilidad correspondiente de 3.2 x 10-3 nA / nM. Estos resultados confirman que la plataforma nanoestructurada de oro analizada proporciona un vínculo eficaz y sólido para la inmovilización de proteínas con cola de polihistidina sobre superficies de oro y carbono vítreo para un futuro desarrollo de biosensores.
La hemoglobina I recombinada con una cola de histidinas ((His)6-rHbI), del bivalvo Lucina pectinata, es un biocomponente ideal para un biosensor de sulfuro de hidrógeno (H2S) debido a su alta afinidad por el H2S. Actualmente es conocido que el H2S está involucrado en la modulación de varias respuestas fisiológicas que incluyen la anti-inflamación, la neuromodulación y la vasoregulación. Sin embargo, todavía se necesita un sensor robusto y confiable para medir H2S en muestras biológicas. También hay muchos estudios relacionados al potencial de enfoques terapéuticos donde se utiliza H2S en diversas aplicaciones clínicas. En este trabajo, inmovilizamos la (His)6-rHbI sobre una superficie sólida modificada con nanopartículas de oro funcionalizadas. La electrodeposición de las nanopartículas de oro sobre las superficies de oro, carbono vítreo y óxido de estaño dopado con flúor se logró utilizando el método de electrólisis de potencial constante. El análisis de la espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) y reflexión total atenuada (ATR) del electrodo de oro modificado muestra las bandas de amida I y amida II que son características de una estructura mayormente de hélice alfa. Ese resultado implica la presencia de (His)6-rHbI sobre la superficie del electrodo. Además, los resultados de la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) muestran un nuevo pico después de la interacción de la proteína correspondiente al nitrógeno y un espesor de la capa calculada de 5.3 nm. La voltametría cíclica (CV) se llevó a cabo durante todo el proceso para mostrar las diferencias entre los electrodos. El proceso de modificación se evaluó electroquímicamente utilizando una solución de ferrocianuro de potasio (K3Fe (CN)6). Los resultados muestran que la adsorción de la hemoproteína recombinada dificulta la transferencia de electrones de las sondas redox Fe(CN)6 3-/4-. La funcionalidad de la hemoproteína inmovilizada se estableció mediante amperometría potencial de corriente directa, utilizando H2S como analito, validando su actividad después de la inmovilización. La respuesta actual a las concentraciones de H2S se monitorizó a lo largo del tiempo dando una relación lineal de 30 a 700 nM con una sensibilidad correspondiente de 3.2 x 10-3 nA / nM. Estos resultados confirman que la plataforma nanoestructurada de oro analizada proporciona un vínculo eficaz y sólido para la inmovilización de proteínas con cola de polihistidina sobre superficies de oro y carbono vítreo para un futuro desarrollo de biosensores.
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Date
2019-05-15
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Protein immobilization, Hydrogen sulfide, X-ray photoelectron spectroscopy, Lucina pectinata, His-tag protein