【IOP专栏】亚利桑那州立大学张斌田Nano Futures：蛋白质分子中观察到大电导波动现象

本文系材料人与IOP出版社推出的【IOP专栏】报道第二篇。

【引言】

蛋白质通常被认为是一种绝缘分子，不利于电子或空穴的注入，也不容易产生强的振动耦合相互作用。其所有这些特征都与导带介导的电子传输规律相背。然而，一些拥有氧化还原金属离子中心的蛋白却常被报道为具有单分子电导效应。由于蛋白质分子的体积相对庞大，传统的电子迁移理论并不能够解释这种大电导现象。因此，到目前为止，蛋白质分子的电子迁移机制并不那么清晰明了。 

【成果简介】

近日，在美国亚利桑那州立大学Stuart Lindsay教授（通讯作者）团队，张斌田和宋维斯（共同第一作者）等人的带领下，与匈牙利罗兰大学合作，报道了使用扫描隧道显微镜技术（STM）和金属-介电层-金属三明治结构的隧道结分子电子器件（MEMED）在不具电化学活性的蛋白质分子中观察到异乎寻常的高电导态现象。这种叫α_Vβ₃的整合素蛋白分子并没有金属离子中心，而且它的分子量达到200 kD，直径约为 10 nm。他们发现当修饰于相距约5 nm宽的两个金属电极上的多肽探针捕获到整合素蛋白分子时，可以观察到高达纳安（nA）级别且持续长达毫秒（ms）的电流脉冲信号，而这相当于皮库（pC）级的电荷传导过程。研究进一步发现，这种分子电导行为与两个电极间的偏压大小有关，即只有当偏压大于100 mV时，蛋白分子的高电导态才能够被激活。相关成果以题为“Observation of giant conductance fluctuations in a protein”发表在了Nano Futures上。

【图文导读】

图1 STM断裂结实验原理及相关表征

（A）STM断裂结实验示意图。针尖和基底用含有半胱氨酸的环状RGD多肽进行功能化。RGD多肽与整合素蛋白α_Vβ₃特异性结合但不与α₄β₁结合；

（B，C）RGD多肽修饰的钯（Pd）电极分别在1mM磷酸盐缓冲液（B）和10nMα_Vβ₃（C）溶液中的循环伏安表征；

（D，E）分别在含有10nM α_Vβ₃（D）或α₄β₁（E）溶液中的电流-回撤距离曲线。E中的插图显示在1mM磷酸盐缓冲液中，电流随着回撤距离的增加迅速衰减。

 图2 STM回撤实验中电流峰值及转移电荷分布

（A，B）在10nMα_Vβ₃（A）和α₄β₁（B）中，回撤曲线峰电流的对数与相对回撤距离的散点图；

（C）两种蛋白质的转移电荷分布。

 图3 隧道结分子电子器件

（A）基于薄膜的多层隧道结分子电子器件（MEMED）的层状结构，叠加的金属电极层通过膜上的纳米孔／缝与溶液接触。纳米孔／缝的大小仅允许一个整合素蛋白质分子被捕获。实验中金属电极用环状RGD多肽修饰以特异性捕获蛋白质分子；

（B）电极交界处横截面的透射电镜（TEM）图像显示介电层厚度为4.8nm；

（C）用反应离子刻蚀技术（RIE）刻蚀的三个位于上层电极的纳米狭缝TEM图；

（D，E）在磷酸盐缓冲液中的电流响应。相对高的背景电流可能为器件的漏电流，电流噪声（E）呈高斯分布；

（F，G）当添加对照蛋白质α₄β₁（F）时，噪声分布（G）没有改变；

（H，I）当加入α_Vβ₃蛋白质（H）时，多级电流阶跃使得电流分布呈现多峰状态（I）。背景漏电流的减少表明吸附的蛋白质分子使电极表面发生钝化。

图4 偏压对芯片信号的影响

（A）不同偏压下，典型的电流时间响应曲线。结果表明电流阶跃信号在偏压大于100mV时开始出现，并且随着偏压的增大出现几率增大；

（B）来自不同芯片的信号峰值与偏压关系分布。数据来自2个芯片，（a-e）来自芯片6，（f，g）来自芯片7。（d）来自芯片6的第一组数据，而（a-c）为第二组数据。（b）点是信号分布中的第二个峰值，（c）是第三个峰值。除（e）和（f）中参比电极相对于地为+50mV，其余数据均取自参比电极相对地为0mV；

（C）偏压为300mV的芯片数据（灰色）及偏压为200mV的STM数据（红色）的信号峰电荷分布。在这些电位和偏压范围内，两个电极均不产生法拉第电流。

图5 电流波动信号的时间特征

（A）电流信号处于“开”状态的短寿命信号呈现泊松分布，且与偏压无关；

（B）信号处于“开”状态的时间比例与对应偏压的关系。额外的黑点表示较小的电流短寿命信号峰。在250和300 mV处中出现较大的电流阶跃，可能表明电极间结合了多个蛋白质分子；

（C，D）显示分别在250和300 mV下，单个信号事件处于“开”状态时间与所对应峰值的散点图。线性拟合（红线）表明峰值电流和导通时间之间呈指数关系。 每种情况下拟合的斜率为0.006 pA^-1。

图6 理论计算得到α_Vβ₃整合素蛋白分子的累积能级间隙分布（橙色圆圈）

I_P(s)（黑线），I_W(s)（蓝线）和I_T(s)（黄线）为理论曲线图。插图：数据曲线和I_T(s)之间的差异。

【小结】

研究表明，在相距5nm宽的两个金属电极间施加大于100mV的偏压，即可使得原本电化学惰性的蛋白质分子在导电态和绝缘态之间切换。由于这种效应需要蛋白质分子通过与任一电极上的锚定探针分子的特异性识别来实现。因此，这项研究成果为单分子蛋白质的无标记检测开辟了一个新的方向，具有广阔的应用前景。当前，该课题组正致力于更多临床相关蛋白质分子的电导研究和检测应用实践。

文献链接：Observation of giant conductance fluctuations in a protein（Nano Futures, 2018, DOI: 10.1088/2399-1984/aa8f91）

本文由材料人编辑部学术组木文韬提供，感谢论文作者张斌田老师及IOP编辑的校稿审核！

材料人与IOP出版社联合推出【IOP专栏】，报道IOP旗下期刊精彩研究进展。本文系【IOP专栏】第2篇。

Nano Futures是英国物理学会（institute of Physics, UK）的旗舰刊，2017年的新刊，发表纳米研究领域前瞻性的研究成果，一年四十篇稿件，大多数都是邀请稿，主编，编委和编辑团队来源于Nanotechnology。

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