Диссертация (Бионаногибридные структуры на основе фоточувствительных мембранных белков – аналогов родопсинов животных), страница 7

Авторами были получены 2системы: I — немодифицированный БР и КТ (575 нм) общей структурыCdSe/ZnS; II — биотинилированный БР, который эффективно связывается сострептавидиновой оболочкой таких же КТ. Как хорошо известно, константасвязывания биотин-стрептавидин составляет 4×10-14 М. Система I, где КТнанесены на поверхность пленки ПМ, характеризуется 54.0% уменьшениемфлуоресценции КТ по сравнению со стандартным слоем КТ на стекле. Длясистемы II тушение флуоресценции составляло 43.8%, т.е. небольшое изменениерасстояния между КТ и БР (на 1-1.5 нм) за счет оболочки КТ приводит кзаметным изменениям флуоресценции КТ. Этот эффект объясняется тем, чтопроцесс ФРПЭ очень чувствителен к расстоянию между донором и акцептором(КТ и БР) в нанометровом диапазоне.

Полученные спектры флуоресценции [36]доказывают,чтотолько«биотинилированные»ПМспособнысвязывать«стрептавидиновые» КТ, увеличивая расстояние между КТ и БР до 6-8 нм.Максимальные величины фотовольтаических параметров при освещении системыII составляют 306 мВ (при включении света) и -200 мВ (при выключении света),тогда как без КТ они равны 249 и -158 мВ, соответственно [36]. Соотношениеэтих значений изменяется от 1.55 (система ПМ/КТ) до 1.42 (только ПМ наэлектроде), что совпадает с величиной, ранее полученной для ПМ-электродов вдругих работах (1.5).

Таким образом, использование системы стрептавиин-биотинприводит к специфическому взаимодействию КТ с БР на расстоянии порядкаферстеровского радиуса, что приводит к увеличению на 23% фотовольтаичныхпараметров [36].42Интерес к коммерческой реализации таких систем демонстрирует заявка напатент [31], в которой описана пленочная многослойная структура на основеслоев БР и КТ. В этой работе продемонстрированна возможность полученияэлектрическогоотклика(скачковпотенциала)гибридныхсистемприфотоактивации. В работе [37] описана нанобиогибридная система, содержащаяКТ (CdSe/ZnS) и БР.

Показано, что при расстоянии в 3.5 нм между донором иакцептором происходит перенос 88.2% энергии КТ, а при расстоянии в 8.5 нм —51.1% энергии. Эти данные близки к значению теоретически рассчитанногоферстеровского радиуса для системы КТ/БР, который составляет 7.94 нм.Эффективное время жизни КТ в возбужденном состоянии уменьшилось с 18.0 до13.3 нс. Авторами обсуждаются возможности систем КТ/БР в солнечныхбатареях,биосенсорике,оптоэлектронике,биокомпьютерныхидругихтехнологиях [37].Для создания альтернативной системы монослоев КТ и БР на проводящейповерхности ITO-электрода авторами [35] предложено использовать ионныесамоассоциируищися монослои (I-SAM).

В качестве материала I-SAM выступалхлорид полидиаллилдиметиламмония (ПДАДМАХ), который наносили на ITOэлектрод методом Ленгмюра-Блоджетт. Затем наносились следующие слои (вскобках — период адсорбции): БР (5 мин), КТ (10 мин), ПДАДМАХ (5 мин). Потакойсхемебылиполученыбислойныеструктуры(БР/ПДАДМАХиКТ/ПДАДМАХ) и трислои (БР/ПДАДМАХ/КТ) [35]. Показано, что бислоиБР/ПДАДМАХ имеют адсорбционный максимум при 570 нм, величина котороголинейно увеличивается с возрастанием числа бислоев (авторами исследовано от 2до12бислоев).ОднакофотовольтаическийответпленкиI-SAMсадсорбированными 12 бислоями БР/ПДАДМАХ практически соответствовалсистеме, состоящей из 3 подобных бислоев.

С другой стороны, была полученалинейная зависимость величины интенсивности максимума флуоресценции КТ(при 570 нм) от числа бислоев КТ/ПДАДМАХ. В дальнейшем таким же образомбыла изучена тройная система, содержащая следующую последовательностьслоев: ITO-ПДАДМАХ-(БР/ПДАДМАХ/КТ) n , где n=1-6 [35]. Эти результаты43свидетельствуют о линейном возрастании флуоресценции КТ, если брать толькоточки, соответствующие полному переносу трислоя, т.е. целым значениям n,причем авторы обнаружили 20% уменьшение флуоресценции КТ для каждоготрислоя по сравнению с таковой для бислоя КТ/ПДАДМАХ. Указанный эффектподтверждается тем, что такое же 20% уменьшение флуоресценции КТнаблюдалось и в случае «неполных» трислоев типа ПДАДМАХ/БР наповерхности каждого полного трислоя.

Этот эффект тушения флуоресценцииобъясняется переносом энергии с КТ на БР по типу ФРПЭ, что показываетвозможностьсозданиянанобиогибридныхструктурсконтролируемоймультислойной «архитектурой» БР и КТ на поверхности I-SAM.Thavasi и соавт. [82] опубликовали обширное сравнительное исследованиеБР дикого типа и его тройного (3Glu) мутанта [E9Q/E194Q/E204Q] в комбинациис широким полупроводником TiO 2 и показали их пригодность в качествеэффективныхбиосенсибилизированныхсолнечныхбатарей.Вчастности,методом дифференциальной сканирующей калориметрии показана тепловаяустойчивость как БР дикого типа, так и его 3Glu-мутанта, а молекулярныммоделированием рассчитана благоприятная для электронного переноса привязкаБР и 3Glu-мутанта к атомам кислорода в подложке TiO 2 .

Из сравнения полученыххарактеристик таких солнечных элементов следует, что 3Glu-мутант показываетлучшую фотоэлектрическую производительность по сравнению с БР дикого типа,давая плотность фототока короткого замыкания порядка 0.09 мА•см-2 ифотопотенциал 0.35 В при освещенности 40 мВт•см-2 [82].Еще одно важное направление исследований в этой области — изучениевлияния на БР плазмонных эффектов поля наночастиц золота и серебра [13, 14,25, 65, 92, 93], спектры которых перекрываются с М-формой (Рис.

1.13) [25].44Рисунок 1.13 - Нормализованный спектр поверхностного плазмонного резонансаAg наночастиц размером 8 нм (1) и 40 нм (2). Спектры абсорбциибактериородопсина и его М-формы представлены областями 3 и 4 с максимумамипри 570 и 412 нм, соответственно. Фотоцикл БР инициируется вспышкой лазерапри 532 нм и непрерывным облучением синим светом между 350 и 550 нм.Контроль восстановления и распада М-формы БР при 600 и 450 нм,соответственно, позволяет избежать спектрального перекрывания снаночастицами Ag и лазерным рассеянием. Адаптировано из [25].Показано, что в таких гибридных системах плазмонное поле усиливает какзначения фототока и скорость прокачки протонов, так и эффект «синего света»,действующий на медленные метаболиты фотоцикла (типа М-формы).

Нагляднойиллюстрацией влияния плазмонных полей наночастиц Ag являются зависимостиспектральных параметров и кинетики фотоцикла БР от размера наночастиц Ag иоблучения системы синим светом (Рис. 1.14).45Рисунок 1.14 - Влияние электромагнитного поля наночастиц Ag (AgNP) наспектральные параметры и кинетику фотоцикла бактериородопсина (БР). (а)Константа скорости k II в присутствии и отсутствии облучения БР синим светомпри различных концентрациях наночастиц Ag размером 8 и 40 нм .

(б) Разницамежду значениями k II в присутствии и отсутствии синего света. Разница можетбыть объяснена константой скорости «обходного» цикла (k 3 ), т.е. она показываетчувствительность усиления электромагнитного поля (эффект синего света) кконцентрации и размеру используемых частиц. Адаптировано из [25].Эксперименты показали, что совместное действие синего света нананочастицы Ag и коротко-импульсного лазерного возбуждения (532 нм) на БРзначительно ускоряет как восстановление первоначальной формы (БР 570 ) искорость прокачки протонов, так и превращения М-формы. Причем в присутствиинаночастиц Ag размером 40 нм скорость превращения M-формы была увеличена в400 раз по сравнению с таковой в присутствии наночастиц Ag размером 8 нм.

Этодостигается за счет как гораздо более сильного плазмонного поля, так и болееширокого перекрывания полосы поглощения 40 нм наночастиц Ag и М-формы(Рис. 1.13).71 Указанная величина эффекта хорошо соответствуют теоретической46величине (увеличение в 375 раз), рассчитанной по следующим факторам: 1)увеличениеплазмонногополяпропорциональноразмерунаночастицскоэффициентом пропорциональности 125; 2) из сравнения спектров на Рис. 1.2.6следует трехкратное увеличение скорости передачи энергии между плазмоннымполем и М-формой в присутствии 40-нм наночастиц по сравнению 8-нмнаночастицами Ag. Дальнейшее изучение этого эффекта [13, 15, 92, 93] показалодополнительные возможности для увеличения фототока, в основном за счетсокращения времени фотоцикла БР.