ATR FTIR spectroscopy for In Situ monitoring of protein interaction with mesoporous silica films

Abstract

m Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine Methode für die Untersuchung der Adsorption von Proteinen aus wässriger Lösung in mesoporöse Siliciumdioxidschichten mittels ATR FTIR Spektroskopie etabliert. Für die Herstellung von hoch geordneten porösen Silica Schichten auf ATR Kristallen wurde ein Sol-Gel Prozess in Kombination mit einer induzierten Selbstassemblierung von Tensiden verwendet. Durch die Optimierung der Synthese konnten Schichten, mit einer Höhe von 600 nm und einer Porengröße bis zu 15 nm erzielt werden. Für die Adsorptionsversuche wurden die Proteine Lysozyme und Lipase (Candida rugosa) verwendet. Durch die Grundlagen der ATR Spektroskopie in Kombination mit der Bereitstellung von stabilen porösen Schichten, konnten Berechnungen bezüglich des Eintritts der Proteine in die Poren angestellt werden. Dadurch wurde die Adsorption von Lipase in methylierte Silica Schichten mit 15 nm Porengröße bewiesen. Durch die Anreicherung von Lipase in den Poren, konnten in weiterer Folge geringe Konzentrationen von 0.0025 - 0.5 mg/mL detektiert werden, wobei erste Messungen einen linearen Zusammenhang zwischen Konzentration und erhaltenem Signal aufwiesen. Des Weiteren wurden erste Versuche hinsichtlich der Verfolgung der Aktivität von Lipase in den Poren mittels FTIR Spektroskopie angestellt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde, eine neue Möglichkeit für die Untersuchung der Interaktion von Proteinen mit Mesoporösen Silicaten etabliert. Durch die Anreicherung von Proteinen in der Schicht konnte ein erster Weg Richtung die Detektierung von Proteinen in geringen Konzentrationen mittels ATR FTIR Spektroskopie entwickelt werden.

Within this thesis a method for the in situ monitoring of the adsorption of proteins from aqueous solutions into mesoporous silica supports, was established. Therefore, mesoporous silica films were coated onto ATR crystals for their later implementation in ATR FTIR spectroscopy. Films were prepared using a sol-gel process in combination with an evaporation induced self-assembly approach. Here the formation of mesoporous films with a thickness of 600 nm and 15 nm in pore size using Pluronic F127 as surfactant was accomplished. The proteins Lysozyme and Lipase from Candida rugosa were used for performing adsorption experiments on prepared films monitored by ATR FTIR spectroscopy. The preparation of a stable film and the application of theoretical basics of ATR spectroscopy allowed to ascertain the protein being inside the pores. Lipase from Candida rugosa showed adsorption inside the methylated mesoporous silica film with 15 nm in pore size. Thereby, low concentrations of Lipase in buffer solution (pH 7) ranging from 0.025 - 0.5 mg/mL were detectable. First approaches showed a linear correlation between obtained absorbance and applied concentration. Furthermore, attempts towards monitoring the activity of lipase inside the porous structure were performed. Hence, throughout the preparation of a stable mesoporous silica films on an ATR crystal the interaction of proteins with mesoporous silica can be followed by FTIR spectroscopy. Thereby, first steps towards a potential detection method for low concentrations of proteins in aqueous media were accomplished.