[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究展示了通过光触发实现细菌视紫红质（bR）功能化的单壁碳纳米管（SWNTs）的聚集。利用宽波段可见光照射，4小时内SWNTs的聚集率超过70%，这是由于光诱导电荷转移及蛋白质-纳米管相互作用所致，从而可通过拉曼光谱实现基于纳米管直径的选择性分离。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于水溶液中单壁碳纳米管（SWNTs）选择性分离的光响应方法。
• 研究细菌视紫红质（bR），一种光活性蛋白，在调节SWNTs分散稳定性中的作用。
• 探讨聚集动力学对紫色膜（PM）吸收光谱及入射光波长的依赖性。
• 通过光诱导聚集识别与bR优先结合的特定SWNT直径。

提出的方法

• 使用生物相容性表面活性剂制备分散良好的水相SWNT溶液，以稳定疏水性纳米管。
• 利用盐生盐杆菌S9菌株生物合成的光活性紫色膜（PM）对SWNTs进行功能化。
• 对功能化SWNT溶液施加宽波段可见光照射以诱导聚集，并随时间监测该过程。
• 使用带通滤光片分离特定波长范围，评估其对聚集动力学的影响。
• 通过拉曼光谱表征光学性质，并识别PM对特定SWNT直径的优先结合。
• 在不同光照条件下，通过吸光度或浊度测量在4小时内对聚集产率进行定量分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 光照射是否会在bR功能化的SWNTs中诱导聚集？
• RQ2 紫色膜的吸收光谱如何影响SWNTs聚集的速率和程度？
• RQ3 在生物-纳米杂化复合物中，哪些SWNT直径表现出对bR的优先结合？
• RQ4 光诱导聚集是否能够基于电子结构或直径实现SWNTs的选择性分离？
• RQ5 bR与SWNTs之间的电荷转移在光照下如何导致分散体系的失稳？

主要发现

• 在宽波段可见光照射下，4小时内实现了超过70%的功能化SWNTs聚集。
• 聚集速率与光活性紫色膜（PM）的吸收带直接相关，在匹配PM吸收特性的波长下观察到更高的聚集速率。
• 拉曼光谱证实了bR功能化的PM与特定直径SWNTs之间存在稳定且优先的结合。
• 聚集过程由光诱导电荷转移及PM与SWNTs之间的分子间相互作用驱动。
• 功能化SWNTs溶液在黑暗中表现出增强的稳定性，但在光照下迅速失稳，表明该体系具有可逆的光响应特性。
• 使用带通滤光片的结果表明，当入射光波长匹配PM吸收最大值时，聚集效率最高，证实了光激发在此过程中的关键作用。