[论文解读] Quantum tunnelling-integrated optoplasmonic nanotrap enables conductance visualisation of individual proteins

Biao-Feng Zeng, Zian Wang+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2026

Molecular Junctions and Nanostructures被引用 0

一句话总结

引入 QTOP-trap，一个光电平台，将等离子体捕获与实时量子隧穿相结合，在生理条件下以亚 3 nm 的空间精度和 10 μs 的时间分辨率可视化单蛋白导电性。

ABSTRACT

Biological electron transfer (ET) relies on quantum mechanical tunnelling through a dynamically folded protein. Yet, the spatiotemporal coupling between structural fluctuations and electron flux remains poorly understood, largely due to limitations in existing experimental techniques, such as ensemble averaging and non-physiological operating conditions. Here, we introduce a quantum tunnelling-integrated optoplasmonic nanotrap (QTOP-trap), an optoelectronic platform that combines plasmonic optical trapping with real-time quantum tunnelling measurements. This label-free approach enables single-molecule resolution of protein conductance in physiological electrolytes, achieving sub-3 nm spatial precision and 10-μs temporal resolution. By synchronising optoelectronic measurements, QTOP-trap resolves protein-specific conductance signatures and directly correlates tertiary structure dynamics with conductance using a "protein switch" strategy. This methodology establishes a universal framework for dissecting non-equilibrium ET mechanisms in individual conformational-active proteins, with broad implications for bioenergetics research and biomimetic quantum device design.

研究动机与目标

• 需要解决在单分子中蛋白质结构波动与电子传递（ET）之间的时空耦合问题的推动力。
• 开发一个在生理电解质条件下能够进行单分子导电性测量的无标记平台。
• 证明把光电测量同步起来，以将构象动力学与导电信号联系起来。

提出的方法

• 将等离子体光学捕获与实时量子隧穿测量集成在一个平台中。
• 实现亚 3 nm 的空间精度和 10 μs 的时间分辨率，用于单分子导电性可视化。
• 实施“蛋白切换”策略，将三级结构动力学与导电性相关联。
• 提供一个通用框架，用于解析在构象活性蛋白中的非平衡 ET 机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单分子水平，量子隧穿测量能否在空间和时间上与蛋白构象变化相关联？
• RQ2 在光学等离子捕获下，生理电解质中单个蛋白的导电性特征是什么？
• RQ3 动态折叠如何实时影响电子传递途径？

主要发现

• 在生理电解质中实现单分子导电性可视化。
• 证明亚 3 nm 的空间精度和 10 μs 的时间分辨率。
• 解析出蛋白特异的导电性特征并将其与三级结构动力学联系起来。
• 引入蛋白切换策略，将结构与导电性相关联。