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Comprender los mecanismos subyacentes relacionados con el transporte de carga (CT) a través de uniones biomoleculares es esencial para diseñar dispositivos electrónicos biomoleculares predecibles. Aunque la mayoría de los estudios ignoran las interacciones entre una biomolécula y los electrodos, se encuentra disponible un nuevo estudio en Interfaces y materiales aplicados de ACS se centró en evaluar la CT neta a través de la unión de túnel biomolecular de grafeno-ferritina.
Aprender: Tunelización coherente dependiente de la temperatura a través de uniones biomoleculares de grafeno-ferritina. Crédito de la foto: Gupta, KN et al., (2022) aplicación ACS mater interfaces
Una larga distancia de hasta 10 nanómetros (nm) a través de uniones de túneles biomoleculares es una de las paradojas del transporte de carga. Esta débil sensibilidad a la distancia indica que la interfaz biomolécula-electrodo puede ser una de las variables clave relacionadas con la TC. Hay escasez de pruebas que vinculen las interfaces biomolécula-electrodo con las eficiencias de la TC. Además, muy pocos estudios han aclarado cómo la temperatura afecta el transporte de carga.
Desarrollo de un compuesto de tunelización biomolecular a base de grafeno para análisis por TC
El grafeno es un importante material de electrodo inferior que se utiliza para inmovilizar moléculas biológicas y formar uniones biomoleculares. Las ferritinas (AfFtn-AA) forman fácilmente una monocapa densa sobre el grafeno, que se utiliza para estudiar los mecanismos de la TC.
El cobre/grafeno//AfFtn-AA//GaOXLa unión del túnel /EGaIn se desarrolló utilizando la técnica EGaIn. EGaIn es una aleación de metal líquido compuesta de galio (Ga) e indio (In) en una proporción de 3:1. Además, AfFtn-AA, una proteína globular, se aisló de Archaeoglobus fulgidus, un archaeon hipertermofílico y se utilizó en este estudio.
Una de las principales ventajas de usar ferritina es que puede cargarse con óxido de hierro y tiene una alta estabilidad térmica. Para evaluar CT en función de la carga de nanopartículas de óxido de hierro, se utilizaron puntas de EGaIn en forma de cono como electrodo superior. AfFtn-AA sin carga de iones de Fe se utilizó como control para evaluar CT sobre uniones biomoleculares.
Se utilizó una sola bicapa de grafeno formada por el proceso de deposición química de vapor (CVD) con una lámina de cobre para soportar la bicapa. La monocapa de AfFtn-AA se formó sobre sustratos de Cu//grafeno que contenían óxido de hierro intracavitario.
Gráficos: una plataforma potencial para analizar CT a través de proteínas en la unión del túnel
El nuevo estudio informa que el grafeno es una plataforma potencial para evaluar CT sobre proteínas en uniones de túneles biomoleculares. Es importante destacar que se observó que la carga en la interfaz de grafeno y AfFtn-AA dependía de la cantidad de óxido de hierro cargado.
Desde el punto de vista mecánico, la TC a través de uniones biomoleculares se ha clasificado en tres grupos principales: tunelización incoherente, tunelización resonante y tunelización extrarresonante. Las biomoléculas tienen un bajo coeficiente de desintegración por efecto túnel (β) en una distancia superior a 4 nm; por lo tanto, la tunelización de larga distancia mediante procesos coherentes es imposible.
Las interfaces en CT a través de uniones biomoleculares contribuyen a funciones importantes, incluida la fuerza de acoplamiento entre la molécula y el electrodo, la orientación de la energía y la cantidad de portadores de carga disponibles. La carga interfacial típicamente presente entre biomoléculas y electrodos es significativamente mayor en presencia de proteínas altamente cargadas.
Aunque la capa de dipolo interfacial no afecta el transporte de carga porque se extiende a profundidades insignificantes, la fuerte polarización reduce la fuerza de acoplamiento de los hilos moleculares y entre el silicio dopado y la bacteriorrodopsina. En las aplicaciones electrónicas es importante considerar los portadores de carga. El grafeno juega un papel importante en este contexto debido a su bajo número de portadores y su punto de Dirac.
El comportamiento de CT a través de uniones biomoleculares
Se observó el comportamiento de túnel de las biomoléculas cuando AfFtn-AA se adsorbió directamente sobre grafeno con soporte de cobre. El presente estudio informó dos esquemas de CT, es decir, β alto para cargas de 600-3000 Fe y β bajo para cargas de 3600-4800 Fe. Es importante destacar que la activación de CT dependiente de la temperatura y una mayor barrera de energía para una mayor carga de Fe se encontraron en todas las cargas de Fe.
Cu//Grafeno//AfFtn-AA//GaOXSe analizaron las uniones /EGaIn con puntas en forma de cono de EGaIn y se registró la densidad de corriente promedio. Se observó una mayor densidad de corriente promedio, lo que indica una CT neta mejorada entre la ferritina y el grafeno.
La mayor dispersión de energía del grafeno se asoció con la temperatura; Sin embargo, se encontró que la transmisión de CT por AfFtn-AA era independiente de la temperatura. Estos hallazgos implican que las condiciones dependientes de la temperatura fueron causadas predominantemente por interfaces. Esta observación también podría aplicarse a otras uniones de túneles biomoleculares.
El modelo propuesto por el presente estudio se basa en la evaluación de CT sobre Cu//Grafeno//AfFtn-AA//GaOX/EGaIn transiciones, mostró que la dependencia de la temperatura asociada con CT surge de la interfaz grafeno-AfFtn-AA y no del túnel incoherente a través de AfFtn-AA. El aumento de la carga de Fe condujo a un aumento en la distancia de tunelización.
El estudio actual subrayó la importancia de la interfaz electrodo-proteína y sugirió que los electrodos no metálicos podrían conferir diferentes propiedades a medida que reducen la hibridación de los electrodos y cambian el estado molecular.
Relación
Gupta, KN et al. (2022) Tunelización coherente dependiente de la temperatura a través de uniones biomoleculares de grafeno-ferritina. Interfaces y materiales aplicados de ACS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c11263
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