Adv.Mater. 仿生噬菌调理素/氧化铝纳米通道杂化系统中的光电频率响应

【引言】

世界上的人们都生活在闪烁的灯光中，比如电脑屏幕或者电视。尽管闪烁的光只有一小段时间是可见的，但是它们看上去稳定且持续。这是因为我们从感知上将相继的闪烁连接起来了，这一过程称为闪光融合。这其中存在一个阈值频率（闪光融合阈值），高于这个频率的时候，间歇出现的画面看起来就像是连续的了。由于很难再现频率反应行为，在设备中实现闪光融合仍然是一个挑战。

【成果简介】

作为人眼视网膜上的视觉感受器，视杆细胞对暗光很敏感，并且是闪光融合的主要角色。近年来对杆的感觉纤毛的三维结构解析显示，视杆细胞外节包含≈1000个层状膜盘，它们都堆叠在一个中空的纤毛上，可以传递合成蛋白和电信号。受到这一结构的启发，通过将噬菌调理素（bR）多层锚定在氧化铝纳米通道微阵列上，来自北京航空航天大学的相艳教授（通讯作者）团队建立了一个频率响应光电纳米系统。在这个系统中，从0到130Hz频率进行的闪烁的光被有效的转换成可分辨的光电模式，从而在体外实现模拟哺乳动物视网膜的频率响应行为。该成果发表在近期的Advanced materials杂志上。

【图文导读】

图1 噬菌调理素/氧化铝纳米通道阵列的设计与操纵。

a  视杆细胞和临近地区的连接纤毛图。含盘的视网膜作为感受器。进化常常用纤毛连接周围的环境。

b  噬菌调理素合成物结构的侧视图。噬菌调理素多层物的厚度是≈2.8 μm。氧化铝的孔径是59±6 nm。

c  从噬菌调理素侧观察的生物混合物结构的顶视图。包含紫色膜斑（标记为虚线）的单个噬菌调理素的典型大小为2-5 μm。

d  闪烁照明下光电装置的示意图。导向的噬菌调理素多层物被电泳沉积到氧化铝纳米通道阵列上，同时噬菌调理素分子的细胞质侧面对着氧化铝膜侧。噬菌调理素杂化膜夹在一个二室光电化学电池中。质子浓度梯度用来将高浓度盐酸放置在细胞质侧来促进质子吸收进程。闪烁光刺激是通过将光线断路器放置在连续波长光源前来产生。

e  在闪烁光（10Hz）的照射下，生成三角形的交流信号。

f  单独或耦合驱动下的光电流：质子浓度梯度、光刺激、双驱动。在无光照的情况下，噬菌调理素多层物有效的组织跨膜运输和保持两个光化学电池室间的质子浓度。在光照情况下，质子浓度梯度促使频率响应的光电流的产生。

图2  频率响应光电信号。

a  光电流的振幅取决于从2到130 Hz的光照的闪烁频率。最佳反应频率（即光电流达到峰值时）被确认为10 Hz（噬菌调理素多层物厚度为2.8 μm）。超过最佳反应频率时，随着闪烁频率上升，光电流逐渐下降。

b  这些观察结果被解释为噬菌调理素分子的动态反应与一个完整光循环时间尺度之间的相互作用。左：低于最佳响应频率，光与光照强度的变化率成正比。这种行为被称为微分响应。右：在高的闪烁频率，一个噬菌调理素时间循环无法在入射光被切断前完成。光电流开始在上升过程中的中点衰减。

c,d 用于分析在低和高频率下所观察到的光电流的质子吸收和释放模型。

e 这个装置还测试了不断变化的闪烁光刺激。130 Hz以下的连续和可分辨的光电信号具有良好的再现性。

图3  噬菌调理素层厚度相关的最佳响应频率和其机制的决定因素。

a  在不同的跨膜质子浓度梯度下，最佳相应频率保持在10 Hz，此时噬菌调理素层厚度为2.8 μm，而光电流的幅值对闪烁频率敏感。

b  在确定的噬菌调理素厚度下，最佳相应频率不随着氧化铝纳米通道的尺寸变化。

c  随着噬菌调理素多层物的厚度从0.06增加到3.8 μm，最佳响应频率从22变化到5 Hz。

d 频率响应行为被噬菌调理素分子的M412中间态衰变动力所主宰，这是由噬菌调理素层的厚度来控制的。M412中间态的衰变频率完全匹配所测量到的最佳响应频率。

图4  控制频率响应光电流振幅的其他决定因素。

a 沿噬菌调理素泵送方向的质子浓度梯度大大提高了光电流。在光的激发下，细胞质侧有足够的质子供应质子吸收过程，而胞外侧质子不足，抵抗质子释放过程。在合适的质子梯度下，质子的吸收和释放过程可以被加速，以此获得更高的光电流。

b 在恒定的100倍的质子浓度梯度下，光电流的振幅与整体质子浓度成反比。

c 在孔径和由噬菌调理素多层物厚度决定的质子泵送能力都匹配的情况下，氧化铝纳米通道合作提高频率响应电流的幅值。最优参数为噬菌调理素的侯素为2.8 μm，孔径为59±6 nm。

d 收获的电能输出到外部电路，用于提供电负载电阻（RL）。消耗功率（PL）对负载电阻的计算公式为 PL=IR2RL。其中IR通过RL输出电流。IR随着负载电阻减小。PL达到最大为RL≈3 MΩ。最大输出功率接近10 pW。（内部电阻R0≈3 MΩ，噬菌调理素层的面积是≈0.2 cm2。）

文献链接：Photoelectric Frequency Response in a Bioinspired Bacteriorhodopsin/Alumina Nanochannel Hybrid Nanosystem（Adv. Mater.，2016，DOI:10.1002/adma.201603809）

本文由材料人生物材料小组孙苗供稿，材料牛编辑整理。

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