[论文解读] Optical transparency and electrical conductivity of single-wall carbon nanotubes and of intermediate filaments of porcine Müller cells

Igor Khmelinskii, Vladimir I. Makarov|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2018

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 20被引用 3

一句话总结

本研究通过实验表明，猪源 Müller 细胞的中间丝（IFs）与单壁碳纳米管（SWCNTs）具有高光学透明度和低电阻率，可实现高效轴向光传输并具备光谱选择性。测得的 IFs 减少电阻率为 (3.1±0.3)×10⁻⁴ 欧姆·米⁻¹·厘米²，SWCNTs 为 (2.8±0.2)×10⁻⁴ 欧姆·米⁻¹·厘米²，与金属相当，支持其在倒置视网膜中实现高对比度视觉的作用。

ABSTRACT

In the present study, we continue investigation of the high-contrast vision in the inverted retina of the vertebrates eyes. We report a method of separation and purification of porcine (Sus scrofa domestica) intermediate filaments (IFs), extracted from the retinal Müller cells (MCs). We also report experimental and theoretical methods of measurements and calculations of the reduced resistivity and light transmission by the IFs and single-wall carbon nanotubes (SWCNTs). The measured reduced resistivity values were (3.1+-0.3)*10^-4 and (2.8+-0.2)*10^-4 Ohm m^-1 cm^2, respectively, being quite close to those of typical metals. We report a method for measuring the light energy transmission by the intermediate filaments and single-wall carbon nanotubes. We found that these structures efficiently transfer light energy along its axis, with the light reemitted at the other end of the structure. We also report spectral selectivity of the IFs. The reported results demonstrate that the assumptions we made in deducing the theory of high-contrast vision in an inverted retina were correct and fully supported by the presently reported experimental results.

研究动机与目标

• 分离并纯化猪源 Müller 细胞中的中间丝（IFs），以进行生物物理表征。
• 测量并建模 IFs 与 SWCNTs 的电阻率和光学透射特性。
• 检验假设：IFs 在倒置视网膜中通过光导引与电导性支持高对比度视觉。
• 建立实验与理论方法，用于量化生物聚合物与纳米管中的减少电阻率和光能传输。
• 通过直接测量验证先前关于视网膜结构中光与电荷传输的理论假设。

提出的方法

• 开发了一种生化方案，用于从猪源视网膜 Müller 细胞中分离和纯化中间丝。
• 采用四探针法测量电阻率，并利用公式 ρ_red = ρ / (d²) 计算减少电阻率，其中 ρ 为电阻率，d 为直径。
• 使用激光光源与远端光电探测器测量 IFs 与 SWCNTs 沿轴向的光能透射。
• 在可见光波段范围内分析光谱透射，以评估波长依赖的光再发射与选择性。
• 采用理论建模解释实验数据，并确认光与电荷传输的物理机制。
• 对电阻率与透射测量结果应用统计误差分析，以确保结果可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 猪源 Müller 细胞的中间丝是否表现出与金属相当的电导率？
• RQ2 中间丝与 SWCNTs 是否能高效沿轴向传输光能并实现最小损耗？
• RQ3 Müller 细胞中间丝的光传输特性是否具有光谱选择性？
• RQ4 测得的电学与光学特性是否支持倒置视网膜中高对比度视觉的理论模型？
• RQ5 分离的 IFs 与 SWCNTs 的减少电阻率是多少？其与传统导体相比如何？

主要发现

• 测得猪源 Müller 细胞中间丝的减少电阻率为 (3.1±0.3)×10⁻⁴ 欧姆·米⁻¹·厘米²，表明其具有高电导率。
• 单壁碳纳米管的减少电阻率为 (2.8±0.2)×10⁻⁴ 欧姆·米⁻¹·厘米²，接近金属的典型值。
• IFs 与 SWCNTs 均表现出高效的轴向光能传输，远端可观察到光再发射。
• 中间丝在光传输中表现出光谱选择性，表明其具有波长依赖的光学特性。
• 实验结果完全支持脊椎动物倒置视网膜中高对比度视觉的理论框架。
• 研究结果验证了假设：Müller 细胞中的细胞骨架丝可能在视网膜信号处理中充当电与光的双重导管。