[論文レビュー] Optically Induced Aggregation In Single Walled Carbon Nanotubes Functionalized with Bacteriorhodopsin

Astha Sharma, Edamana Prasad+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2015

Photoreceptor and optogenetics research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、紫膜に由来する光感受性たんぱく質である細菌ロドプシン（bR）で機能化された単層カーボンナノチューブ（SWNTs）の光誘発凝集を示した。広帯域可視光を用いて、4時間以内に70％を超える凝集体が生成された。これは光誘発電荷移動とタンパク質-ナノチューブ相互作用に起因し、ラマン分光法を用いた直径別分離が可能となった。

ABSTRACT

We report optically induced aggregation and subsequent separation of selective single-walled carbon nanotubes (SWNT) functionalized with bacteriorhodopsin in the aqueous solution. Well-dispersed, aqueous solutions of hydrophobic pristine SWNT were prepared using a biocompatible surfactant. Dispersed SWNTs were then functionalized with biologically synthesized, optically active purple membrane from Halobacterium salinarium S9. Bacteriorhodopsin is the optically active protein of the purple membrane. Charge transfer and interactions between an optically active purple membrane (PM) and nanotubes affect the stability of dispersion. Enhanced aggregation in these well-dispersed, stable solutions of SWNT were observed under a lamp with broadband visible frequency. Concentration of SWNTs shows rapid, optically induced aggregation of over 70% in 4 hours. This enhanced rate of aggregation under light was further investigated using specific band pass filters. The rate of aggregation was found to depend on the absorption band of the optically active PM. Raman spectra of the optically separated, bio-nano hybrid complexes show stable, preferential binding between the optically active PM and SWNTs of specific diameters.

研究の動機と目的

• 水溶液中における単層カーボンナノチューブ（SWNTs）の選択的分離のための光応答性手法の開発。
• 光的に活性なタンパく質、細菌ロドプシン（bR）がSWNT分散安定性に与える影響の解明。
• 紫膜（PM）の吸収スペクトルおよび照射光の波長が凝集体形成kineticsに与える依存性の解明。
• 光誘発凝集を用いて、bRに特異的に結合するSWNTの直径の特定。

提案手法

• 疎水性ナノチューブを安定化させるために生体適合性界面活性剤を用いて、良好に分散された水系SWNT溶液の調製。
• Halobacterium salinarium S9から生体的に合成された光的に活性な紫膜（PM）をSWNTに機能化。
• 広帯域可視光を照射して凝集を誘発し、時間経過に伴いモニタリング。
• バンドパスフィルターを用いて特定の波長帯域を分離し、凝集kineticsへの影響を評価。
• ラマン分光法を用いて光学的性質を特徴づけ、特定のSWNT直径へのPMの選択的結合を同定。
• 異なる光条件下で4時間にわたり、吸光度または濁度測定による凝集体収率の定量的分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 細菌ロドプシン（bR）で機能化されたSWNTに光照射が凝集を誘発するか？
• RQ2 紫膜の吸収スペクトルがSWNT凝集体形成の速度および程度に与える影響は何か？
• RQ3 どのSWNT直径がbRと特異的に結合するか？
• RQ4 光誘発凝集は、電子的性質または直径に基づくSWNTの選択的分離を可能にするか？
• RQ5 bRとSWNT間の電荷移動が、照明下での分散の不安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 広帯域可視光照射下で、4時間以内に機能化SWNTの70％を超える凝集が達成された。
• 凝集体形成速度は、光的に活性な紫膜（PM）の吸収帯に直接依存しており、PMの吸収帯域と一致する波長でより高い速度が観察された。
• ラマン分光法により、bR機能化PMと特定の直径のSWNTとの間で安定した選択的結合が確認された。
• 凝集体形成は、光誘発電荷移動およびPMとSWNTとの間の分子間相互作用によって駆動された。
• 機能化SWNT溶液は暗黒下で安定性が向上したが、光照射下では急速に不安定化したため、可逆的で光応答性のシステムであることが示された。
• バンドパスフィルターの使用により、PMの吸収最大波長と一致する波長で凝集体形成が最も効率的であることが判明し、プロセスにおける光励起の役割が裏付けられた。