[논문 리뷰] Optically Induced Aggregation In Single Walled Carbon Nanotubes Functionalized with Bacteriorhodopsin

Astha Sharma, Edamana Prasad외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 19.

Photoreceptor and optogenetics research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 자외선이 아닌 자외선에 민감한 단백질인 박테리오루비스린(bR)으로 기능화된 단일성탄나노튜브(SWNTs)의 빛 자극 응집을 보여준다. 광범위한 가시광선을 사용하여, 4시간 이내에 70% 이상의 응집이 발생했으며, 이는 광적으로 유도된 전하 이동과 단백질-나노튜브 상호작용으로 인한 것으로, 라만 스펙트럼을 통해 나노튜브의 직경에 따라 선택적 분리가 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수용액 내에서 단일성탄나노튜브(SWNTs)의 빛에 반응하는 선택적 분리 방법을 개발하기 위해.
• 빛에 민감한 단백질인 박테리오루비스린(bR)이 SWNTs의 산란 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 보라색 막(PM)의 흡수 스펙트럼과 입사광의 파장이 응집 동역학에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 광적으로 유도된 응집을 통해 bR에 특이적으로 결합하는 특정 SWNT 직경을 규명하기 위해.

제안 방법

• 수용성인 계면활성제를 사용하여 수소화된 나노튜브를 안정화시켜 잘 분산된 수용액 SWNT 용액을 제조하기 위해.
• Halobacterium salinarium S9에서 생물학적으로 합성된 광활성 보라색 막(PM)을 사용하여 SWNTs를 기능화하기 위해.
• 광범위한 가시광선으로 기능화된 SWNT 용액을 조사하여 응집을 유도하고, 시간 경과에 따라 모니터링하기 위해.
• 밴드패스 필터를 사용하여 특정 파장 범위를 분리하고, 그들이 응집 동역학에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 라만 스펙트럼을 사용하여 광학적 성질을 특성화하고, 특정 SWNT 직경에 대해 PM이 선호적으로 결합하는지 확인하기 위해.
• 다양한 빛 조건 하에서 4시간 동안 투과도 또는 농도 측정을 통해 응집 수율을 정량 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 박테리오루비스린(bR)으로 기능화된 SWNTs에서 빛 노출이 응집을 유도하는가?
• RQ2 보라색 막(PM)의 흡수 스펙트럼이 SWNTs의 응집 속도와 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 bR과의 생체-나노 복합체에서 어떤 SWNT 직경이 선호적으로 결합하는가?
• RQ4 광적으로 유도된 응집이 전자 구조나 직경에 따라 SWNTs의 선택적 분리에 기여할 수 있는가?
• RQ5 bR과 SWNTs 사이의 전하 이동이 빛 조사 조건에서 산란 안정성을 떨어뜨리는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 광범위한 가시광선 조사 조건에서 기능화된 SWNTs의 70% 이상이 4시간 이내에 응집되었다.
• 응집 속도는 광활성 보라색 막(PM)의 흡수 밴드에 직접적으로 의존하였으며, PM의 흡수에 해당하는 파장에서 더 높은 속도가 관찰되었다.
• 라만 스펙트럼을 통해 bR 기능화된 PM과 특정 직경의 SWNTs 사이에 안정적이고 선호적인 결합이 확인되었다.
• 응집 과정는 광적으로 유도된 전하 이동과 PM 및 SWNTs 간의 분자 간 상호작용에 의해 주도되었다.
• 기능화된 SWNT 용액은 어두운 조건에서는 안정성이 향상되었지만, 빛 조사 조건에서는 급격히 불안정해져, 가역적인 빛 반응성 시스템임을 나타내었다.
• 밴드패스 필터를 사용한 결과, PM의 흡수 최대값과 일치하는 파장에서 응집이 가장 효율적이었으며, 이는 광자 자극이 과정에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 확인시켰다.