[论文解读] Transfer Functions of Proteinoid Microspheres

Panagiotis Mougkogiannis, N. Phillips+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2023

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用 6

一句话总结

本研究通过电化学阻抗谱和尼尔奎斯特分析，研究了蛋白质微球——热聚合氨基酸聚集体——的电传输函数。结果表明，蛋白质微球表现出非平凡的频率依赖性阻抗响应，在尼尔奎斯特图中呈现明显的半圆弧，反映出电荷转移电阻和界面电容的变化，暗示其在非传统计算和人工神经系统的潜在应用价值。

ABSTRACT

Proteinoids, or thermal proteins, are inorganic entities formed by heating amino acids to their melting point and commencing polymerisation to form polymeric chains. Typically, their diameters range from 10 to 100 micron. Some amino acids incorporated into proteinoid chains are more hydrophobic than others, leading proteinoids to cluster together when they are present in aqueous solutions at specific concentrations, allowing them to grow into microspheres. The peculiar structure of proteinoids composed of linked amino acids endows them with unique properties, including action-potential like spiking of electrical potential. These unique properties make ensembles of proteinoid microspheres a promising substrate for designing future artificial brains and unconventional computing devices. To evaluate a potential of proteinoid microspheres for unconventional electronic devices we measure and analyse the data-transfer capacities of proteinoid microspheres. In experimental laboratory conditions we demonstrate that the transfer function of proteinoids microspheres is a nontrivial phenomenon, which might be due to the wide range of proteinoid shapes, sizes, and structures.

研究动机与目标

• 评估蛋白质微球作为非传统计算和人工脑架构基底的电传输函数。
• 利用电化学阻抗谱（EIS）表征蛋白质微球的频率依赖性阻抗行为。
• 将蛋白质的结构与组成差异（例如，L-Lys:L-Phe:L-His 与 L-Glu）与它们的电响应特性相关联。
• 评估蛋白质微球支持类似放电的电活动和信号传播的能力，以适用于合成神经系统的相关性。
• 识别控制蛋白质聚集体中信号传输的关键电参数（例如，电荷转移电阻、双电层电容）。

提出的方法

• 蛋白质微球通过在高温下对L-谷氨酸、L-天冬氨酸、L-赖氨酸、L-组氨酸和L-苯丙氨酸进行热聚合合成。
• 使用C60网络分析仪（10 Hz 至 4 MHz）和LCR表（20 Hz 至 300 kHz）测量电学阻抗，以评估不同频率下的阻抗幅值和相位响应。
• 从阻抗数据生成尼尔奎斯特图，以可视化阻抗的实部与虚部，揭示表明电荷转移过程的半圆弧形特征。
• 采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）并进行金涂层处理，以观察微球的形态与表面结构。
• 进行傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析（400–4000 cm⁻¹，分辨率4 cm⁻¹），以识别酰胺I和II、C-H伸缩振动及芳香振动等官能团。
• 应用Randles等效电路模型解释电化学行为，通过拟合获得溶液电阻、电荷转移电阻和双电层电容等参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 蛋白质微球的电传输函数如何随频率变化？它们揭示了这些系统中信号传播的哪些特征？
• RQ2 蛋白质组成（例如，L-Lys:L-Phe:L-His 与 L-Glu）与阻抗响应特性之间存在何种关系？
• RQ3 蛋白质微球在多大程度上表现出非平凡的电学行为，如频率选择性阻抗和电荷转移电阻？
• RQ4 在频域中观测到的蛋白质微球电活动放电与振荡行为，能否与可测量的阻抗特征相关联？
• RQ5 蛋白质微球的结构与组成差异如何影响其在人工神经网络或非传统计算设备中的应用潜力？

主要发现

• 蛋白质微球表现出复杂的频率依赖性阻抗响应，尼尔奎斯特图中明显的半圆弧表明电极界面存在电荷转移过程。
• L-Lys:L-Phe:L-His 蛋白质配方在尼尔奎斯特图中表现出更大的半圆直径（直径 ≈ 1.2 kΩ），表明其具有更高的电荷转移电阻和更强的界面相互作用，优于L-Glu。
• L-Glu 蛋白质表现出更小的半圆直径（≈ 0.5 kΩ），表明其电荷转移电阻较低，对高频刺激的敏感性减弱。
• FT-IR光谱证实了关键官能团的存在，包括酰胺I（1650 cm⁻¹）、酰胺II（1550 cm⁻¹）、脂肪族C-H（2900 cm⁻¹）和芳香C-H（3000 cm⁻¹），证实了蛋白质微球的结构特征。
• 系统中水的电阻测得为3836 Ω，双电层电容和电荷转移电阻通过尼尔奎斯特拟合获得，支持Randles等效电路模型的有效性。
• 蛋白质微球的电学行为（包括自发电位尖峰和振荡）与可测量的阻抗特征相关，表明其具有内在的信号处理能力。