Covalent functionalization of graphene oxide with proteins

Abstract

Pro gradu -tutkielman kirjallisuusosassa perehdyttiin menetelmiin, jotka voisivat soveltua proteiinien kiinnittämiseen grafeenioksidin pintaan kovalenttisen sitoutumisen kautta. Kokeellisessa osassa oli tavoitteena kiinnittää linkkerimolekyylien avulla piparjuuriperoksidaasi (HRP) -entsyymimolekyylejä laserilla hapetetun grafeenin pintaan. Alustavissa kokeissa testattiin kahta menetelmää HRP:n kiinnittämiseksi grafeenioksidihiutaleisiin. Menetelmät erosivat käytettyjen linkkerimolekyylien suhteen. Ensimmäisessä menetelmässä käytettiin glutaraldehydiä ja toisessa APTES:sta ja glutaraldehydistä muodostuvaa linkkeriä. Termogravimetrinen analyysi ja FTIR-mittausten tulokset viittasivat kovalenttisten sidosten muodostumiseen grafeenioksidin ja linkkerien sekä linkkerien ja HRP:n välille. Glutaraldehydiin perustuva menetelmä valittiin varsinaiseen kokeeseen, jossa käytettiin laserilla käsiteltyä grafeenipohjaista mikrosirua. Mikrosirusta otetuista AFM-kuvista havaittiin kohonneita viivamaisia ja pistemäisiä rakenteita funktionalisoinnin jälkeen, joiden pääteltiin olevan glutaraldehydiketjuja ja HRP-proteiinimolekyylejä. Mikrosirun hapetetuista alueista mitatut Raman-spketrit viittasivat muutoksiin hapetetun grafeenin elektronirakenteessa: D-, G- ja 2D-vöiden Raman-siirtymät pienenenivät ja D-vyön pinta-ala kasvoi funktionalisoinnin jälkeen. Muutosten pääteltiin johtuvan grafeenioksidin ja linkkerien tai HRP:n välisistä vuorovaikutuksista. Tulosten perusteella ei kuitenkaan voitu varmistaa HRP:n kovalenttista kiinnittymistä mikrosirun grafeenioksidipintaan glutaraldehydin välityksellä.

The literature part of the master’s thesis focuses on introducing potential functionalization methods for the covalent attachment of proteins on graphene oxide (GO) surfaces. The experimental part aimed at the covalent immobilization of horseradish peroxidase (HRP) on the laser-oxidized graphene-based microchip. Based on the preliminary studies with graphene oxide flakes, both crosslinker systems, glutaraldehyde (GA) and APTES-glutaraldehyde, resulted in a similar outcome of the HRP immobilization. The thermogravimetric analysis and FTIR spectroscopic results suggested the formation of covalent bonds between the components of the GO-crosslinker-HRP systems. The GA-based crosslinking method was chosen for the protein immobilization studies with the graphene-based microchip. From the atomic force microscopy (AFM) images of the microchip after the treatment with GA and HRP solutions (in PBS buffer), line-shaped structures and elevated dots could be observed, assigned to be GA crosslinkers and HRP protein molecules, respectively. The Raman spectra of the oxidized areas showed shifting of the D, G, and 2D bands towards lower Raman shifts after HRP immobilization, which agree with the former results, indicating a successful immobilization of HRP. Also, the D band areas of the oxidized regions increased after HRP immobilization, suggesting an increased number of defects in the graphene lattice. Based on the AFM and Raman spectroscopy results from the experiments with the chip, the covalent attachment of HRP to the chip’s surface via GA crosslinker could not be fully proved.