【IOP專欄】亞利桑那州立大學張斌田Nano Futures：蛋白質分子中觀察到大電導波動現象

本文系材料人與IOP出版社推出的【IOP專欄】報道第二篇。

【引言】

蛋白質通常被認為是一種絕緣分子，不利于電子或空穴的注入，也不容易產生強的振動耦合相互作用。其所有這些特征都與導帶介導的電子傳輸規律相背。然而，一些擁有氧化還原金屬離子中心的蛋白卻常被報道為具有單分子電導效應。由于蛋白質分子的體積相對龐大，傳統的電子遷移理論并不能夠解釋這種大電導現象。因此，到目前為止，蛋白質分子的電子遷移機制并不那么清晰明了。?

【成果簡介】

近日，在美國亞利桑那州立大學Stuart Lindsay教授（通訊作者）團隊，張斌田和宋維斯（共同第一作者）等人的帶領下，與匈牙利羅蘭大學合作，報道了使用掃描隧道顯微鏡技術（STM）和金屬-介電層-金屬三明治結構的隧道結分子電子器件（MEMED）在不具電化學活性的蛋白質分子中觀察到異乎尋常的高電導態現象。這種叫α_Vβ₃的整合素蛋白分子并沒有金屬離子中心，而且它的分子量達到200 kD，直徑約為 10 nm。他們發現當修飾于相距約5 nm寬的兩個金屬電極上的多肽探針捕獲到整合素蛋白分子時，可以觀察到高達納安（nA）級別且持續長達毫秒（ms）的電流脈沖信號，而這相當于皮庫（pC）級的電荷傳導過程。研究進一步發現，這種分子電導行為與兩個電極間的偏壓大小有關，即只有當偏壓大于100 mV時，蛋白分子的高電導態才能夠被激活。相關成果以題為“Observation of giant conductance fluctuations in a protein”發表在了Nano Futures上。

【圖文導讀】

圖1 STM斷裂結實驗原理及相關表征

（A）STM斷裂結實驗示意圖。針尖和基底用含有半胱氨酸的環狀RGD多肽進行功能化。RGD多肽與整合素蛋白α_Vβ₃特異性結合但不與α₄β₁結合；

（B，C）RGD多肽修飾的鈀（Pd）電極分別在1mM磷酸鹽緩沖液（B）和10nMα_Vβ₃（C）溶液中的循環伏安表征；

（D，E）分別在含有10nM α_Vβ₃（D）或α₄β₁（E）溶液中的電流-回撤距離曲線。E中的插圖顯示在1mM磷酸鹽緩沖液中，電流隨著回撤距離的增加迅速衰減。

?圖2 STM回撤實驗中電流峰值及轉移電荷分布

（A，B）在10nMα_Vβ₃（A）和α₄β₁（B）中，回撤曲線峰電流的對數與相對回撤距離的散點圖；

（C）兩種蛋白質的轉移電荷分布。

?圖3 隧道結分子電子器件

（A）基于薄膜的多層隧道結分子電子器件（MEMED）的層狀結構，疊加的金屬電極層通過膜上的納米孔／縫與溶液接觸。納米孔／縫的大小僅允許一個整合素蛋白質分子被捕獲。實驗中金屬電極用環狀RGD多肽修飾以特異性捕獲蛋白質分子；

（B）電極交界處橫截面的透射電鏡（TEM）圖像顯示介電層厚度為4.8nm；

（C）用反應離子刻蝕技術（RIE）刻蝕的三個位于上層電極的納米狹縫TEM圖；

（D，E）在磷酸鹽緩沖液中的電流響應。相對高的背景電流可能為器件的漏電流，電流噪聲（E）呈高斯分布；

（F，G）當添加對照蛋白質α₄β₁（F）時，噪聲分布（G）沒有改變；

（H，I）當加入α_Vβ₃蛋白質（H）時，多級電流階躍使得電流分布呈現多峰狀態（I）。背景漏電流的減少表明吸附的蛋白質分子使電極表面發生鈍化。

圖4 偏壓對芯片信號的影響

（A）不同偏壓下，典型的電流時間響應曲線。結果表明電流階躍信號在偏壓大于100mV時開始出現，并且隨著偏壓的增大出現幾率增大；

（B）來自不同芯片的信號峰值與偏壓關系分布。數據來自2個芯片，（a-e）來自芯片6，（f，g）來自芯片7。（d）來自芯片6的第一組數據，而（a-c）為第二組數據。（b）點是信號分布中的第二個峰值，（c）是第三個峰值。除（e）和（f）中參比電極相對于地為+50mV，其余數據均取自參比電極相對地為0mV；

（C）偏壓為300mV的芯片數據（灰色）及偏壓為200mV的STM數據（紅色）的信號峰電荷分布。在這些電位和偏壓范圍內，兩個電極均不產生法拉第電流。

圖5 電流波動信號的時間特征

（A）電流信號處于“開”狀態的短壽命信號呈現泊松分布，且與偏壓無關；

（B）信號處于“開”狀態的時間比例與對應偏壓的關系。額外的黑點表示較小的電流短壽命信號峰。在250和300 mV處中出現較大的電流階躍，可能表明電極間結合了多個蛋白質分子；

（C，D）顯示分別在250和300 mV下，單個信號事件處于“開”狀態時間與所對應峰值的散點圖。線性擬合（紅線）表明峰值電流和導通時間之間呈指數關系。 每種情況下擬合的斜率為0.006 pA^-1。

圖6?理論計算得到α_Vβ₃整合素蛋白分子的累積能級間隙分布（橙色圓圈）

I_P(s)（黑線），I_W(s)（藍線）和I_T(s)（黃線）為理論曲線圖。插圖：數據曲線和I_T(s)之間的差異。

【小結】

研究表明，在相距5nm寬的兩個金屬電極間施加大于100mV的偏壓，即可使得原本電化學惰性的蛋白質分子在導電態和絕緣態之間切換。由于這種效應需要蛋白質分子通過與任一電極上的錨定探針分子的特異性識別來實現。因此，這項研究成果為單分子蛋白質的無標記檢測開辟了一個新的方向，具有廣闊的應用前景。當前，該課題組正致力于更多臨床相關蛋白質分子的電導研究和檢測應用實踐。

文獻鏈接：Observation of giant conductance fluctuations in a protein（Nano Futures,?2018, DOI: 10.1088/2399-1984/aa8f91）

本文由材料人編輯部學術組木文韜提供，感謝論文作者張斌田老師及IOP編輯的校稿審核！

材料人與IOP出版社聯合推出【IOP專欄】，報道IOP旗下期刊精彩研究進展。本文系【IOP專欄】第2篇。

Nano Futures是英國物理學會（institute of Physics, UK）的旗艦刊，2017年的新刊，發表納米研究領域前瞻性的研究成果，一年四十篇稿件，大多數都是邀請稿，主編，編委和編輯團隊來源于Nanotechnology。

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