Диссертация (1151496), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Все объекты на (а) изображены в масштабе. Фотоны поглощаютсяквантовыми точками, иммобилизованными на поверхности ПМ, содержащих БР.(а) Показано, что каждая молекула БР содержит один хромофор с поглощением ввидимой области спектра (ретиналь показан фиолетовым). Ретинальрасполагается в центре ПМ, на расстоянии около 2.5 нм от каждой из сторонмембраны.
Экситон от КТ (донор; показан оранжевым) переносится посредствомФРПЭ на хромофор БР (ретиналь — акцептор), таким образом инициируяфотоизомеризацию ретиналя, разделение зарядов у основания Шиффа, фотоциклБР и работу протонного насоса через ПМ. Такая передача энергии также приводитк сильному тушению флуоресценции КТ. (а) Спектры поглощения ПМ(фиолетовая кривая), белых мембран (желтая кривая) и одного из типов КТ,использованных в работе (синяя кривая) в УФ- и видимой областях. Спектрфлуоресценции этих КТ (черная кривая). Адаптировано из [51].35Не менее важным условием является адсорбция КТ непосредственно надомены пурпурных мембран, содержащие тримеры БР, что в работе [69]достигаетсяпутемфункционализацииповерхностиКТцистеиномилитиогликолевой кислотой.
Получение качественных структур такого родаконьюгатов БР/КТ было доказано методом АСМ (Рис. 1.10) [69]. Изображениеслева вверху (Рис. 1.10а) [69] соотвествует регулярно упакованным тримерам БР срасстояниями между ними порядка 6.2 нм и высотой 0.4-0.5 нм, что показываетпрофиль АСМ-изображения вдоль линии (выделено голубым цветом вверхуслева), проведенной через несколько таких тримеров.
Изображение справа вверху(Рис. 1.10б) [69] получено после ассоциации КТ на поверхности ПМ всоотношении КТ:БР=1:2, что значительно увеличивает высоту ассоциатов до 1.72.0 нм и уменьшает расстояния между тримерам БР приблизительно до 6.09 нм(см. профиль АСМ-изображения вдоль голубой линии, проведенной черезнесколько таких тримеров).36Рисунок 1.10 - Изображения бактериородопсина (БР), пурпурных мембран (ПМ)(а) и ассоциатов ПМ с квантовыми точками (КТ) (б), полученные с помощьюатомно-силовой микроскопии (АСМ). На графиках внизу представлены АСМпрофили, сканированные вдоль синей линии на АСМ-изображениях,приведенных в верхней части рисунка. Данные профили показывают, чтопериодичность расположения БР в ПМ (6.2 нм) близка к периодичностирасположения КТ на ПМ в полученном гибридном материале (6.09 нм).
Данныепоказывают специфическое связывание КТ с тримерами БР на поверхности ПМ.Адаптировано из [51].Эти данные указывают на специфическое связывание КТ с участками БР,экспонированными на поверхности ПМ. Причем сохраняется регулярнаяструктура БР в доменах при низких соотношении КТ:БР, тогда как повышениеэтого соотношения выше эквимолярного приводит к исчезновению регулярнойструктуры КТ/БР доменов и образованию мультислойных структур [69].Специфическое связывание небольших количеств отрицательно заряженных КТ37именно с экспонированными участками БР объясняется наличием в последнихбольшого числа положительно заряженных остатков лизина и аргинина, тогда какокружающие БР липиды мембраны имеют небольшой отрицательный заряд засчет большого числа фосфатных групп, экспонированных на поверхности ПМ.Такое специфическое взаимодействие КТ с БР приводит к сильномутушению флуоресценции КТ, которое становится практически полным присоотношениях КТ:БР от 1:2 до 1:1 (в случае КТ-590) или от 1:1.2 до 1:1 (в случаеКТ-650) [69].
Непосредственным доказательством именно эффекта ФРПЭ, а недругих типов тушения флуоресценции КТ, в указанных случаях являетсянебольшое падение флуоресценции КТ (приблизительно на 20%) в присутствии«обесцвеченных» ПМ, т.е. мембран, в которых ретиналь был тщательно удален вмягких условиях, не повреждающих бислойную структуру мембран и БР в такихмембранах. Это детальное исследование [69] является центральным в серии работданной группы авторов [18, 30, 39, 57, 69], в последней из которых былотщательно изучено влияние изменения заряда, размеров КТ и толщиныорганического слоя КТ различных типов на специфичность взаимодействия КТ сБР [49].
Из всех полученных выше данных авторы делают вывод, чтофункциональные элементы КТ/БР, работающие в режиме ФРПЭ, могутобеспечить новое направление в области молекулярной электроники ифотогальванических элементов с преимуществами в размерах, эффективностисвето- и электро- управляемых функций, устойчивости структуры, стабильности,простоте и дешевизне производства.
Например, существующие наноразмерныесенсоры используют относительно большие источники света, тогда как КТ как поразмерам, так и по свойствам идеально подходят для селективной активацииотдельных молекул белка и, таким образом, способствуют миниатюризациисенсорной системы с одновременной возможностью фотозависимого включениявыключения определенных гибридных нано-биоструктур среди большого числаподобных структур на общей интегральной платформе.38Такие перспективы использования гибридных структур привлекаютбольшое внимание ряда других исследователей [12, 15, 25, 26, 31, 35–37, 49, 65,82, 92, 93].В работах [26, 49] приведены данные по формированию пленочныхэлементов, содержащих различные белки и КТ, и показано, что влияние ФРПЭ насвойства таких композитных материалов весьма значительны.
Например,иммобилизация КТ-537 (CdTe, диаметром 2-3 нм с максимумом флуоресценциипри 530-540 нм) на БСА (в отношении 1 к 9) при электрофоретическойседиментации не приводит к изменению параметров флуоресценции КТ-537,тогда как иммобилизация КТ-537 на БР (выделенный из штама S9 бактерииHalobacterial halobium) приводит к уменьшению флуоресценции КТ-537 на 95%от исходной. Достижением авторов [49] явилось создание гибридной системыКТ/БР, способной генерировать постоянный ток.
На рисунке 12 [49] показаныобратимые фотоэлектрические изменения гибридной системы КТ/БР привозбуждении лазером с длиной волны 410 нм (мощностью 7 мВт•см-2). Этисигналы кардинально отличаются по форме от тех фототоков, которыегенерируются в такой же системе при возбуждении лазером с длиной волны 570нм (мощностью 6.5 мВт•см-2), что представлено на графике I (левая вставка наРис. 1.11), и в системе, содержащей, только БР, под действием света с длинойволны 410 нм, что представлено на графике II (правая вставка на Рис.
1.11), хотяамплитуда во все трех случаях составляет около 45 нА•см-2. Авторы считают, чтообнаруженое ими явление является специфическим именно для гибриднойсистемы КТ/БР при возбуждении светом с длиной волны 410 нм.39Рисунок 1.11 - Временной профиль плотности фототока (J) нано-биосистемквантовые точки/бактериородопсин (КТ/БР) при облучении светом с длинойволны 410 нм. Фототок при облучении нано-биосистем КТ/БР светом с длинойволны 570 нм (а). Фототок при облучении чистого БР светом с длиной волны 410нм (б). Адаптировано из [49].Авторами [49] предложена следующая модель, чтобы объяснить, как КТмогут выступать в качестве наноразмерных источников света, встроенных впленки БР, с получением стационарных фототоков, что является ключевымотличием от поведения гибридных систем КТ/БР, о которых сообщалось ранее[18, 26, 39, 69].
Поскольку исходное состояние БР (БР 570 ) и М-форма (M 412 ) имеютгораздо большие «времена жизни», чем другие промежуточные формы вфотоцикле БР, то только эти два состояния и рассматриваются авторами65вданной модели (Рис. 1.12). В серии экспериментов этих авторов учитывалось нетолько освещение с длиной волны 410 нм, но и индуцированная имфлуоресценция CdTe КТ-537 (синий свет и зеленый свет), т.е. облучение БР всистеме происходит одновременно, что существенно сказывается на еепараметрах.
Авторы считают, что флуоресценция КТ при 537 нм активирует40ближайшие молекулы БР и запускает фотоцикл с образованием М-формы (M412)и освобождением протона. В тоже время, стационарное освещение при 410 нмприводит к ускорению дальнейшего превращения М-формы (M412) в М Е (см.энергетические уровни на Рис. 1.12) с быстрым захватом протона.
В таком случае(когда синий свет применяться в дополнение к зеленому свету), протон неуспевает достигнуть внешней поверхности мембраны, так что молекула БР можетбыстро вернуть его, т.е. протонный насос «шунтируется».Рисунок 1.12 - Эквивалентная диаграмма энергитических уровнейфотохимического цикла, описывающая генерацию тока в нано-биосистемеквантовые точки/бактериородопсин (КТ/БР). Адаптировано из [49].В приведенном выше эксперименте две длины волны освещениянакладываться друг на друга на протяжении всего процесса, когда источник светавключен.
Таким образом, процесс освобождения и захвата протона происходитвнутри мембраны неоднократно и очень быстро, т.е. протоны не уходят вмежклеточное пространство, что обьясняет генерацию стационарного фототока вэтих условиях. Следует отметить, что предложенная авторами [49] модель неявляется достаточно обоснованной, поскольку ряд авторов [34, 46, 78, 87] ужерассматривали одновременное освещение БР двумя источниками света с длинами41волн 570 нм и 412 нм. Если использование гибридной системы КТ/БР в такойсхеме действительно приводит к указанным авторами [49] специфическимпараметрам, что еще требует независимых подтверждений, то это можетобеспечить основу для создания новых типов многофункциональных систем.С другой стороны, авторы [36] предложили необычный метод полученияструктур с чередующимися слоями КТ/БР, что дает увеличение сигнала БР на23% по сравнению с БР-электродами без КТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
