kezdeti jellemzést
a pheomelanin és az eumelanin pigmentek szintetikus modelljeit vizsgálták a jelen tanulmányban a természetes melanin mintákkal együtt35. A szintetikus melaninokat a dihidroxi-fenilalanin (dopa) és az 5-s-ciszteinildopa enzimes oxidációjával állítottuk elő, amelyek a természetes eumelanin, illetve a feomelanin fő bioszintetikus prekurzorai. A természetes melanin mintákat az emberi hajból enzimatikus proteolitikus eljárásokkal tisztítottuk9.
kémiai jellemzése
a melanin-kitozán filmek kémiai jellemzését Raman spektroszkópiával végeztük (a kiegészítő információk S1 ábrája ezeknek a filmeknek a SEM képeit mutatja). A 2A.ábra azt mutatja, hogy a szintetikus eumelanin por spektrumának két egymáshoz közeli jellegzetes sávja van36. 1. sáv (1360 cm−1) és 2.sáv (1580 cm−1), amelyek az aromás gyűrűkön belüli C-C kötések lineáris nyújtásának és az aromás gyűrűk síkbeli nyújtásának tulajdoníthatók36,37. Ezt a két jellegzetes sávot akkor is megfigyelték, amikor a szintetikus eumelanint a kitozán filmbe zárták (a Kitozán nem mutat sávokat ebben a spektrális régióban).
Raman szintetikus melanin minták és melanin-kitozán filmek jellemzése.
a) szintetikus eumelanin. B) szintetikus feomelanin.
a szintetikus feomelanin por és a filmbe zárt feomelanin Raman jellemzése Az ábrán látható. 2b. a szintetikus eumelanin spektrumához képest ezeknek a feomelanin mintáknak a Raman spektruma két további kiemelkedő csúcsot mutat 2000 cm-1 felett (3.és 4. sáv). Korábbi tanulmányok szerint ezek a sávok felhang-vagy kombinációs sávokhoz kapcsolódnak38. Ezeket a Raman sávokat mind a por, mind a filmbe zárt szintetikus feomelanin minták esetében megfigyelték.
a természetes melanin minták Raman-spektruma (a kiegészítő információk S2 ábrája) olyan tulajdonságokkal rendelkezik,amelyek összhangban vannak a szintetikus pigmenteknél megfigyeltekkel, bár összetettebbek a mátrix36, 38 fehérje hozzájárulása miatt. A természetes feomelanin esetében az eumelaninnak tulajdonítható sávok azonosíthatók36, ami egy jelentős eumelanin komponens jelenlétére utal a természetes feomelaninban39.
szintetikus melaninok Reverse Engineering
kezdeti jellemzés a redox aktivitás azonosítására
a szintetikus melaninok kezdeti elektrokémiai jellemzését úgy végeztük, hogy a filmbevonatú elektródákat három redox mediátor (100 ~ ~ ir3+, 50 ~ ~ Fc és 50 ~ Ru3+) kevert oldatába merítettük, és ciklikus potenciált alkalmaztunk az alatta lévő elektródra (- 0 között.5 V és +0,8 V 2 mV/s letapogatási sebességgel). Az ezekben a vizsgálatokban alkalmazott mediátor koncentrációkat a kezdeti mérések alapján választottuk ki, amelyek a feltételek “hangolására” szolgáltak a hasznos kimeneti jelek megszerzéséhez. A kitozánnal bevont elektródák eredményeit bezárt eumelaninnal (91 ~ g/mL) vagy feomelaninnal (104 ~ g/mL) hasonlítottuk össze egy kontroll kitozánnal bevont elektródával (befogott melanin nélkül). A ciklikus voltammogram (CVs) ábra. A 3a,b négy fő érdeklődési területet mutat.
a szintetikus melaninok kezdeti elektrokémiai jellemzése.
(a) szintetikus eumelanin mintákat és (b) szintetikus feomelanin mintákat tartalmazó filmek ciklikus voltammogramjai a kontroll kitozánfilmekkel összehasonlítva (2 MV/s letapogatási sebesség) 3 mediátor jelenlétében. (c,d) termodinamikai ábrák, amelyek a szintetikus melaninok és a reduktív redox-ciklikus reakció 3 mediátora közötti elektroncserét szemléltetik. A D régió egyedülálló a feomelanin számára. (e,f) termodinamikai diagramok a szintetikus melaninok és 3 mediátor közötti oxidatív-redox ciklikus reakcióhoz.
az ” a ” régióban ábra. 3a,b, a potenciált redukáló irányban 0 V-ról -0,5 V-ra söpörték az Ag/AgCl-hez képest, és az elektróda elektronforrásként működött. Ebben a potenciáltartományban az Ru3 + közvetítő elektrokémiailag Ru2+ – ra redukálódik, pozitív (redukáló) áramot generálva. A kontroll kitozánnal bevont elektróda esetében egy kis redukáló áram figyelhető meg, amelyet az Ru3+ ionok elektrokémiai redukciójának tulajdonítanak, amelyek a filmen keresztül diffundálnak az elektródához. Fig. A 3a,b a redukáló áramok jelentős amplifikációját mutatja az a régióban mindkét melanin modell esetében. Ezt az amplifikációt a reduktív redox-ciklikus mechanizmus magyarázza az ábra jobb felső sarkában. 1b. Pontosabban, az elektrokémiailag redukált Ru2 + faj diffundál a filmbe, és átadja elektronjait a csapdába esett melaninnak, ezáltal átalakítja az oxidált melanin részeket redukált állapotukba, és regenerálja az oxidált Ru3+ mediátort. Így az a régióban megfigyelt kimeneti válasz (erősített Ru3+ redukciós áram) azt jelzi, hogy bármelyik szintetikus melanin beépítése redox aktivitást kölcsönöz a filmeknek.
A “B” régióban a potenciált kissé pozitív potenciálon söpörjük át, lehetővé téve az elektróda számára, hogy az elektronok mosogatójaként szolgáljon. Ebben az állapotban az oxidáló Mediátor Fc elektronokat adományoz az elektródának a negatív (oxidatív) áram előállításához. A kitozán kontrollhoz képest az eumelanin-kitozánnal bevont elektróda (ábra. 3a) az oxidáló áram jelentős amplifikációját mutatja A B régióban, amelyet az ábra bal felső részén található oxidatív redox-ciklikus mechanizmus magyaráz. 1b. ebben az esetben az elektrokémiailag oxidált Fc+ fajokat redukáljuk a filmben azáltal, hogy elektronokat fogadunk el a befogott eumelaninból (ezáltal a redukált eumelanin-részeket oxidált állapotokká alakítjuk). A feomelanin-kitozán filmmel bevont elektróda (ábra. 3b) kevesebb amplifikációt mutat ebben a B régióban az eumelanin mintához képest.
a “C” régióban a potenciált erősen pozitív potenciálra söpörjük, hogy lehetővé tegyük egy másik oxidáló mediátor oxidációját Ir3+. Ezen oxidatívabb körülmények között Ir3+ oxidálható az elektródon, hogy negatív áramot generáljon. A 3a,b ábra azt mutatja, hogy ebben a C régióban az oxidációs áramok mind az eumelanin, mind a feomelanin filmeknél felerősödnek. A B régióra vonatkozó fenti érvekkel analóg módon a C régióban az amplifikált oxidatív áramok egy oxidatív redox-ciklikus mechanizmusból származnak, amelyben Ir3+ az elektronokat a befogott melaninból az elektródába juttatja. Ismét a megfigyelt kimeneti válasz (a B és C régiókban felerősített oxidációs áramok) azt jelzik, hogy a melanin redoxaktivitást kölcsönöz a filmeknek.
a “D” régióban a potenciált redukáló irányba söpörjük +0,4 V-ról 0 V-ra, ami lehetővé teszi az oxidált Fc+ elektrokémiai redukálását Fc-re. A 3b ábra azt mutatja, hogy a feomelanin esetében a D régióban amplifikált kimeneti áramok figyelhetők meg, de az eumelanin minták esetében nem (ábra. 3a).
az ábrán megfigyelt első fontos válaszjellemző. A 3. ábra az oxidációs és redukciós áramok páros amplifikációja, amely bizonyítja, hogy mindkét szintetikus melanin modell redox-aktív. Pontosabban, az oxidációs és redukciós áramok párosított amplifikációja a redoxciklus jellemző jellemzője24, és azt sugallja, hogy a melaninok részt vehetnek mind az oxidatív, mind a reduktív redoxciklusban azáltal, hogy redukált állapotba kerülnek (elektronok elfogadásával a mediátoroktól; a vagy D régiók) és oxidált állapotba (elektronok adományozásával a mediátoroknak; B és C régiók).
a második fontos válasz jellemző ábra. 3 az, hogy a párosított amplifikációk különböző potenciáloknál fordulnak elő, ami arra utal, hogy a szintetikus eumelanin és a feomelanin különböző potenciáloknál oxidálódik/redukálódik. A termodinamika korlátozza a redox reakciókat úgy, hogy az elektronok “áramlanak” a negatívabb redoxpotenciálú fajoktól a pozitívabb redoxpotenciálú fajokig. Ez a termodinamikai kényszer a kísérleti megfigyelésekkel együtt az eumelanin redukáló potenciáljának becslésére szolgál (ábra. 3C) és a feomelanin (ábra. 3D) és hasonlóan az oxidációs potenciál becsléséhez (ábra. 3e,f). Az Eumelanin egy amplifikált redukciós régióval (A régió) és két amplifikált oxidációs régióval (B és C régió) rendelkezik, ami azt jelzi, hogy a befogott eumelanin redukciós-oxidációs (redox) potenciálját a redukáló végén az Ru3+ e (-0,2 V vs Ag/AgCl), az oxidáló végén pedig az Fc e (+0,25 V) e blokkja zárja be. A filmbe zárt feomelanin minta megkülönböztető kimeneti válasza (a D régió amplifikációja) azt jelzi, hogy reduktív redox-cikluson megy keresztül azáltal, hogy elektronokat fogad el Fc-től (majd adományozza őket ir-nek3+). Ez kezdeti bizonyítékot szolgáltat arra, hogy a feomelanin erősebb oxidálószer, amelynek redoxpotenciálja van, amelyet a redukáló végén az Fc e (+0,25 V), az oxidáló végén pedig az Ir3+ (+0,55 V) E (6).
az 1. táblázat feltételezett redoxreakciókat javasol ezekre a melanin mintákra. Javasoljuk, hogy az eumelanin redox-aktivitása magában foglalja az 5,6-dihdroxiindol csoportok oxidációját kiterjesztett kinonok40. Javasoljuk, hogy a feomelanin redox-aktivitása összefügg a feomelanin benzotiazin csoportjaival, és a feltételezett reakciókat a 141,42,43 táblázat javasolja.
fontos megjegyezni, hogy a megfigyelt elektrokémiai válaszjellemzők azt mutatják, hogy mindkét szintetikus melanin redox-aktív. A hosszabb ideig tartó elektrokémiai mérések (a kiegészítő információk S3 ábrája) azt mutatják, hogy ezek a redox aktivitás stabil, és a melanin ismételten oxidálható és redukálható. Így, bár az elektrokémia nem ad kémiai szerkezeti információt az egyes részekről (kinon, fél-kinon és hidrokinon)32,44, azt jelzi, hogy az ezen állapotok közötti Eloszlás dinamikus a környezeti kontextustól függően.
redoxpotenciál becslése
a szintetikus melaninok redoxpotenciáljának kezdeti becsléseinek megerősítéséhez a mintákat két redox mediátorral megvizsgáltuk a redox-ciklusra jellemző kimeneti válaszok (az oxidációs és redukciós áramok páros amplifikációja) kimutatására. A tartós redox-ciklushoz legalább két mediátorra van szükség, és a mediátorok redoxpotenciáljának meg kell erősítenie a minta redoxpotenciálját. Így ez a teszt lehetővé teszi a minta redoxpotenciáljának becslését.
a 4a.ábra a feomelanin-kitozán és a kontroll kitozán bevonatú elektróda árampotenciál-görbéit mutatja 100 km ir3+ és 50 km Fc vegyes oldatban. A kitozán kontrollhoz képest a feomelanin minta A D régióban a redukciós áramok és a C régióban az oxidációs áramok páros amplifikációját mutatja. Ez a páros amplifikáció azt sugallja, hogy a feomelanin redox-cikluson megy keresztül, redukálószerként Fc, oxidálószerként Ir3+. Az eumelanin esetében, ábra. A 4B nem mutat páros erősítést, mivel nem tapasztalható erősített csökkenés. Ezek az eredmények megerősítik, hogy a feomelanin, de nem az eumelanin modell redox-aktivitással rendelkezik az ir3+ és Fc (+0,25 V +0,55 V) E! s potenciáltartományában.
a redox potenciális régióinak vizsgálata a redox-kerékpározás aláírására (2 mediátor).
ciklikus voltammogramok (CVs) (a,c,e) szintetikus feomelanin-kitozán filmekhez és (b,d,f) szintetikus eumelanin-kitozán filmekhez (letapogatási sebesség 2 mV/s). A feomelanin a redox aktivitást oxidatívabb potenciállal mutatja, mint az eumelanin.
ezután összehasonlítottuk a kontroll kitozán és a feomelanin-kitozán filmeket az Fc-Ru3+ mediátor pár segítségével. A 4c ábra a redukáló áramok kis amplifikációit mutatja az A régióban (Ru3+), az oxidációs áramok pedig a B régióban (Fc). Az oxidációs és redukciós áramok páros amplifikációja bizonyítja, hogy a szintetikus feomelanin további redoxaktivitással rendelkezik -0,2 V és + 0,25 V között. A 4D jelentős páros amplifikációkat mutat (Ru3 + redukció az a régióban és Fc oxidáció a B régióban), megerősítve, hogy az eumelanin redox-aktív, redoxpotenciálja -0,2 V és +0,25 V között van.
végül összehasonlítottuk a kontroll kitozánt és a melanin-kitozán filmeket az Ir3+ -Ru3+ mediátor pár segítségével, amely a redoxpotenciálok legnagyobb tartományát (-0,2 V és +0 között) öleli fel.55 V). Amint az az ábra alján látható. 4e, f, az ir3+ -Ru3+ mediátor pár által vizsgált széles redox tartomány a szűkebb redox ablakokat öleli fel, amelyekben a feomelanin redox aktivitását figyelték meg (ábra. 4a) és eumelanin (ábra. 4d). Mivel az Fc-t törölték ebből a mediátor keverékből, ábra. 4e, f nem mutat csúcsokat a B régióban (Fc oxidáció) vagy a D régióban (Fc redukció). Mindazonáltal mind a feomelanin, mind az eumelanin minták erős páros amplifikációkat mutattak a nagy potenciális régióban, ami tovább alátámasztja azt a következtetést, hogy mindkét szintetikus melanin redox aktivitással rendelkezik.
a feomelanin-specifikus oxidatív Redoxaktivitás reverzibilitása
ezután az oxidatív potenciális régióra összpontosítottunk, hogy további bizonyítékokat szolgáltassunk a feomelanin redox aktivitására. Kísérletileg melanin-kitozánnal bevont elektródákat merítettünk mindhárom mediátort tartalmazó oldatokba, és az ábrán bemutatott potenciális bemenetet vetettük be. 5a. a kezdeti “előkezelés” (-0,4 V vs Ag/AgCl 5 percig) bekapcsolja az Ru3+ mediátort reduktív redox-ciklusában, hogy az elektronokat az elektródról a melanin mintára továbbítsák (azaz a redox-aktív részek egy részének csökkentésére). Ezután megvizsgáltuk a mintát a potenciál ismételt ciklusával -0,1 V és + 0,8 V között, ami kizárja az Ru3 + mediátor további részvételét a redox reakciókban (azaz az Ru3+ mediátor “csendes” marad ebben a szondázási lépésben).
az oxidatív potenciál ablak ismételt vizsgálata a szintetikus feomelanin reverzibilis redox-aktivitásának bizonyítására.
(a) A feomelanin oxidatív potenciál ablakának vizsgálatához használt bemeneti feszültségek sorozata. A feomelanin-kitozán film áramkimenete (B) ciklikus voltammogramban vagy (c) kimeneti görbében kifejezve. Az eumelanin-kitozán film áramkimenete (d) ciklikus voltammogramban vagy (e) kimeneti görbében kifejezve. A feomelanin oxidációs-redukciós áramok páros amplifikációja és az “állandó” kimenet azt jelzi, hogy a feomelanin oxidatív redox aktivitása reverzibilis.
az 5b ábra a feomelanin-kitozánnal bevont elektróda aktuális válaszát mutatja a ciklikus kivetett potenciálra, amely standard ciklikus voltamgramként (CV) jelenik meg, míg az ábra. Az 5C az eredményeket kimeneti görbeként mutatja (az egyértelműség érdekében a kontroll kitozán film eredményeit csak az ábra mutatja. 5c). Két fontos megfigyelés van ezekből a parcellákból. Először az IR amplifikációja3 + – oxidáció (C régió) párosul az Fc-redukció amplifikációjával (d régió). Második, mindkét amplifikáció az idő múlásával szinte “állandónak” tűnik: kimondottan, ábra CV görbéi. 5b megközelítőleg egymásra helyezhetők, és a kimeneti görbék ábra. Úgy tűnik, hogy az 5C minden egymást követő ciklusban hasonló (megjegyzés: A kiegészítő információk S4. ábrája azt mutatja, hogy a kimenet nem pontosan egyenletes, hanem minden ciklus alatt van egy kis nettó oxidatív töltésátvitel). Ez a szinte állandó amplifikáció azt mutatja, hogy a feomelanin oxidatív redox aktivitása ismételten oxidálható és redukálható.
a szintetikus feomelanin eredményei szembeállíthatók az ábrán megfigyelt szintetikus eumelanin eredményeivel. 5d, e. Pontosabban, az amplifikált oxidációs áram nincs párosítva egy amplifikált redukciós árammal, amely az elektronok nettó kimerülését jelzi a melanin mintából. Ezzel a magyarázattal összhangban áll az a megfigyelés, hogy az eumelanin kimenete nem állandó: a CV görbék nem egymásra helyezkednek (ábra. 5d) és a csúcs oxidációs áramok minden egymást követő ciklusban gyengülnek (ábra. 5e). Ezek a megfigyelések azt mutatják, hogy az eumelanin mintába ru3+ előkezelés során eredetileg átvitt elektronok kimerülnek minden Ir3+-oxidációs lépés során.
Dinamikus Elemzés: A bemeneti frekvencia változtatása
a dinamikus elemzést rutinszerűen használják a technológiai rendszerek visszafejtésére. A 6a. ábra szemlélteti, hogy a filmbe zárt melanin mintákat dinamikusan próbáltuk a kivetett oszcilláló potenciál bemenet frekvenciájának változtatásával (potenciál tartomány -0,5 V-tól +0,8 V-ig; szkennelési sebesség tartomány 2-től 1000 mV/s-ig) mindhárom mediátor (Ir3+, Fc és Ru3+) jelenlétében. Ábra szemlélteti. 6a, a bemeneti frekvencia szabályozza a mediátorok redox-ciklusa által vizsgált filmterület mélységét. Elemzéshez, ábra. A 6b azt mutatja, hogy az Fc redukcióval (D régió) és az Fc oxidációval (B régió) kapcsolatos jelekre összpontosítottunk, és két csúcsáram arányt használtunk az eredmények korrelálásához. Az első arány, az amplifikációs Arány (AR) összehasonlítja a melanint tartalmazó filmek válaszát a kitozán film válaszával. Ahogy az várható volt, ábra. A 6c azt mutatja, hogy ez az amplifikációs arány alacsonyabb letapogatási sebességnél nagyobb, míg ez az arány nagy letapogatási sebességnél megközelíti az 1-et (azaz a mintát tartalmazó filmek és a kontroll kitozánfilm hasonlóan viselkednek).
a szintetikus feomelanin oxidatív potenciál ablakának dinamikus vizsgálata változó letapogatási sebességgel.
a) A szkennelési sebességet szemléltető sematikus ábra befolyásolja a vizsgált film mélységét. (b) A redoxciklus jellemzésére használt Paraméterarányok a feomelanin oxidatív potenciál ablakában (szemléltető CV vizsgálat a feomleanin-kitozán filmre; 2 mV/s). (c) az amplifikációs arány azt mutatja, hogy a legnagyobb különbség a kontroll kitozán filmtől az alacsony szkennelési sebességnél figyelhető meg (a várakozásoknak megfelelően). (d) a helyesbítési arányok azt mutatják, hogy az Fc oxidálószerként szolgál eumelaninnal (RRFc < 1), de a feomelanin redukálószere (RRFc > 1).
a második arány a helyesbítés operatív mértéke. A 6D. ábra azt mutatja, hogy magas frekvenciákon a két melanin minta RRFc-je és a kitozán kontrollja az összes megközelítést 1. Alacsony frekvenciákon, ábra. A 6D RR > 1 értéket mutat a feomelanin esetében, de RR < 1 értéket az eumelanin esetében, ami összhangban van a korábbi megfigyelésekkel. Pontosabban, a feomelanin az Fc-t redox-kerékpározással kapcsolja redukálószerként (d régió), míg az eumelanin az Fc-t redox-kerékpározással, az Fc-t oxidálószerként (B régió).
dinamikus elemzés: Lépésbemenetek bevezetése
végső elektrokémiai vizsgálatot végeztünk a lépéspotenciál változásainak sorozatával mindhárom mediátor jelenlétében. A 7a ábra azt mutatja, hogy -0,4 V kezdeti feszültséget használtunk az Ru3+ redoxciklus indításához az elektronok átviteléhez a filmbe zárt melanin minta csökkentése érdekében. Az első lépés -0,4-ről +0-ra változik.A 8 V lehetővé teszi mind az Fc, mind az Ir3+ oxidációját, és oxidatív redoxciklust indít el, hogy az elektronokat a befogott melaninból az elektródába juttassa. Amint az ábrán látható. 7a, ezt a potenciált 5 percig tartottuk fenn, amely idő alatt az elektrontranszfert az ábrán látható módon mértük. 7b. a kontroll kitozán film kumulatív töltésátvitelét (5 perc elteltével) a mediátorok egyszerű diffúziójának tulajdonítottuk a filmen keresztül, és ezt az értéket kivontuk a melanin mintát tartalmazó filmek kumulatív töltésátviteléből. Ezt a különbséget (QFilm) a film redox-ciklusának tulajdonították, és a melaninból átvitt elektronok számának mérésére szolgál. Elvileg ez a módszertan felhasználható a melanin minta Teljes redoxkapacitásának meghatározására, azonban egy 5 perces periódus nem elegendő idő az elektronok részecskemintákból történő kimerítő átviteléhez (például több órára lenne szükség)45. Így kiszámított redox kapacitásunk (NFilm; nmole elektron/cm2) egy operatív intézkedés, amely hasznos a félkvantitatív összehasonlításhoz.
a szonda töltésátvitelének lehetséges változásainak bevezetése.
(a) A lépésváltozások sorrendje lehetővé teszi az oxidáció és redukció szondázását. (b) az oxidáció lépéses változása után megfigyelt Töltésátvitel (a QFilm és az NFilm az elektrontranszfer kvantitatív mértéke). c) a csökkentés érdekében a lépésváltás után megfigyelt Töltésátvitel. d) a szintetikus melaninokkal végzett különböző oxidációs redukciós lépések Nfilm-értékeinek összefoglalása.
a 7a ábra azt mutatja, hogy a kezdeti oxidációs lépés után egy redukciós lépést vezettünk be +0,8-tól -0,4 V-ig.ez a lépés lehetővé teszi a Ru3+ redox-ciklus a melanin csökkentésére azáltal, hogy az elektronokat az elektródából a melaninba szállítjuk. Ez a potenciális lépés lehetővé teszi az Fc+ reduktív redox ciklusát a feomelaninnal. A 7C. ábra ennek a redukciós lépésnek az eredményeit mutatja, és azt jelzi, hogy a töltésátvitel mindkét melanin mintára nagyobb, mint a kontrollfilmmel megfigyelt töltésátvitel. Ezeknek a mintáknak az a képessége, hogy elektronokat adományozzanak (ábra. 7b) és fogadja el az elektronokat (ábra. 7c) alátámasztja azt a következtetést, hogy mindkét szintetikus melanin minta redox aktív.
a 7D. ábra e kísérletek eredményeit foglalja össze. A bejegyzések ábra. 7d vannak az oxidációs kísérletek ábra. 7b és redukciós kísérletek ábra. 7c, ill. Az NFilm értékek mennyiségi különbségei ezen feltételek között feltehetően a kinetikai különbségeket tükrözik. Például az eumelanin oxidációjának hajtóereje (mind Ir3+, mind Fc által) lényegesen nagyobb, mint az eumelanin redukciójának hajtóereje (Ru3+), és ez magyarázhatja az eumelanin nagyobb Nfilmjét az oxidációs lépésben (65 nmol/cm2) a redukciós lépéshez képest (12 nmol/cm2). Hasonló érvek magyarázhatják az eumelanin és a feomelanin redukciója között az ábra második bejegyzésében megfigyelt különbségeket. 7d: a feomelanin redukciójának hajtóereje (mind Ru3+, mind Fc+) nagyobb, mint az eumelanin redukciója (Ru3+).
természetes Melanin minták értékelése
ezután értékeltük a természetes eumelanin és a feomelanin mintákat, hogy bizonyítékot szolgáltassunk a szintetikus modellekkel végzett vizsgálatok két fő megfigyelésére: (i) a melanin redox-aktív; és (ii) a feomelanin nagyobb redox-alapú pro-oxidáns aktivitással rendelkezik. Ezekben a vizsgálatokban melanin-kitozán filmeket készítettünk a természetes eumelaninra, illetve a feomelaninra 248, illetve 484 MHz/mL melanintartalommal. A filmbevonatú elektródát a három redox-mediátort tartalmazó oldatba merítettük (100 ~ ~ ir3+, 50 ~ ~ Fc és 50 ~ Ru3+), és különböző potenciális bemeneteket alkalmaztunk. Az első vizsgálatban ciklikus potenciál bemenetet (-0,5 – +0,8 V vs Ag/AgCl; szkennelési sebesség 2 mV/s) vezettek be. A 8. ábra az oxidációs és redukciós áramok jelentős amplifikációját mutatja mind az eumelanin, mind a feomelanin mintákban. Az oxidációs és redukciós áramok páros amplifikációja alátámasztja azt az első következtetést, hogy mindkét természetes melanin redox-aktív, és redukált és oxidált állapot között kapcsolható.
bizonyíték arra, hogy a természetes melaninok redox-aktívak.
melaninmintákat tartalmazó filmek ciklikus voltammogramjai (2 MV/s szkennelési sebesség) 3 mediátor jelenlétében. Az oxidációs és redukciós áramok páros amplifikációja bizonyítja, hogy a természetes melaninok redox-aktívak, és oxidatív és reduktív redox-cikluson mennek keresztül.
érdekes módon a szintetikus feomelanin – amplifikáció jellegzetes aláírása a D régióban. 3-a természetes feomelanin mintával nem nyilvánvaló. Lehetséges, hogy ennek a jellegzetes D-csúcsnak a csillapítása tükrözheti a természetes melaninok kevert polimer jellegét. Az egyik kísérleti megközelítés ennek a vegyes polimer természetnek a befogadására a természetes melanin minták viselkedésének összehasonlítása szintetikus melaninok keverékével46, 47, 48. Vizsgálatunkhoz szintetikus eumelanin és feomelanin keverékeket tartalmazó filmeket készítettünk, és ezeket a filmeket három különböző potenciális bemenet segítségével vizsgáltuk, amint azt az ábra felső panelei szemléltetik. 9 (További részletekért lásd a kiegészítő információk S5. ábráját). Amint azt a középső panelek ábrán. 9, a kimeneteket az áramok integrálásával elemeztük, hogy meghatározzuk a redukció (QRed) és az oxidáció (QOx) során átvitt teljes töltést, majd létrehoztuk a redukció oxidációs arányát (Redox Arány). Az elvárás az, hogy egy nagyobb redox-alapú pro-oxidáns aktivitású minta nagyobb Redoxaránnyal rendelkezzen, mivel több elektront vonna ki az elektródából.
bizonyíték arra, hogy a természetes feomelanin nagyobb redox-alapú pro-oxidáns aktivitással rendelkezik.
három különböző bemeneti potenciált vetettek ki a mintákra (felső panelek), az adatokat a reduktív és az oxidatív töltés átvitelének arányában elemezték (középső panelek), és a természetes melanint tartalmazó eredményeket összehasonlították a szintetikus eumelanin és a szintetikus feomelanin keverékeinek eredményeivel. a) ciklikus voltammetria. B) Kronokulometria. C) ciklikus voltammetria több ciklusra.
az első teszt során ciklikus voltammetriát végeztünk(pl. 8) és elemezte az eredményeket, amint azt a felső panel ábra. 9a. A szintetikus melanin keverékek, az eredmények Alsó panel ábra. 9a a redox Arány lineáris növekedését mutatják a szintetikus feomelanin frakciójával. Ez a megfigyelt tendencia a szintetikus feomelanin nagyobb pro-oxidáns aktivitásától várható. Az ábrán látható lineáris rajzra helyezve. A 9a a természetes melanin minták eredményeinek vízszintes vonalai, amelyek azt mutatják, hogy a feomelanin Redox aránya nagyobb, mint az eumelaniné. Érdekes módon a pheomelanin vízszintes vonalának metszéspontja a szintetikus keverékek eredményeivel arra utal, hogy a természetes pheomelanin mintában az eumelanin tartalma körülbelül 40%, ami összhangban van a vörös emberi haj kémiai elemzésével39.
a második vizsgálat, a felső panel ábrán. A 9b azt mutatja, hogy a melanin filmbevonatú elektródák mindegyikéhez 5 percig fokozatosan potenciális bemeneteket vezettünk be, és megmértük a töltésátvitelt mind a redukáló körülmények, mind az oxidáló körülmények közötti lépésváltáshoz (hasonlóan az ábrán bemutatott kísérletekhez. 7). A telek ábrán. A 9B ismét azt mutatja, hogy a szintetikus melanin keverékek esetében a Redox Arány lineárisan nőtt a szintetikus feomelanin frakciójával. A természetes melaninok (vízszintes vonalak) eredményei ismét azt mutatják, hogy a feomelanin Redox aránya nagyobb, mint az eumelanin esetében.
a végső tesztet úgy végeztük, hogy a potenciált 10-szeres -0,1 V és 0,8 V között köröztük, hogy megvizsgáljuk az oxidatívabb redoxpotenciál-tartományt (az ábrán látható kísérletekhez hasonlóan. 5). Amint azt a középső panel ábra. 9c, átlagoltuk az elmúlt három ciklusból átvitt töltést, és kiszámoltuk a Redox arányt. Az előző két teszttel összhangban a redox Arány lineárisan növekedett a szintetikus feomelanin frakciójával a filmben, és a természetes feomelanin magasabb Redox arányt mutatott, mint a természetes eumelanin.
összefoglalva, a természetes melaninok eredményei minőségileg megegyeznek a szintetikus modellek eredményeivel: a melaninok redox-aktívak, és a feomelanin nagyobb redox-alapú pro-oxidáns aktivitással rendelkezik.