温度对石墨烯-铁蛋白生物分子连接处电荷传递的作用

了解与跨生物分子结的电荷传输（CT）相关的潜在机制对于设计可预测的生物分子电子设备至关重要。虽然大多数研究忽略了生物分子和电极之间的相互作用，但ACS Applied Materials and Interfaces上的一项新研究重点是评估石墨烯 – 铁蛋白生物分子隧道连接的净CT。

Study: Temperature-Dependent Coherent Tunneling across Graphene–Ferritin Biomolecular Junctions.  Image Credit: Gupta, K. N. et al., (2022) ACS Appl. Mater. Interfaces

穿过生物分子隧道交界处的长距离，高达10纳米（nm）是电荷传输的悖论之一。这种微弱的距离灵敏度表明，生物分子电极界面可能是与CT相关的关键变量之一。缺乏将生物分子电极界面与CT效率联系起来的证据。此外，很少有研究阐明温度如何影响电荷传输。

基于石墨烯的生物分子隧道连接处用于CT分析的开发

石墨烯是一种重要的底部电极材料，用于固定生物分子并形成生物分子连接。铁蛋白（AfFtn-AA）很容易在石墨烯上形成致密的单层，用于研究CT的机理。

铜/石墨烯//阿夫特-AA//砷x/易通隧道连接是利用易建技术开发的。EGaIn是一种液态金属合金，由镓（Ga）和铟（In）以3：1的比例组成。此外，AfFtn-AA是一种球状蛋白，从富尔吉多古菌（一种嗜热古菌）中分离出来，并用于本研究。

使用铁蛋白的主要优点之一是它可以加载氧化铁并且具有高热稳定性。为了评估CT作为氧化铁纳米颗粒负载的函数，使用锥形EGaIn尖端作为顶部电极。使用没有铁离子负载的AfFtn-AA作为对照，以评估生物分子连接处的CT。

使用通过化学气相沉积（CVD）方法形成的单个双层石墨烯，并用铜箔支撑双层。AfFtn-AA单层是在Cu//石墨烯基板上形成的，其空腔内含有氧化铁。

石墨烯：在隧道连接处分析蛋白质CT的潜在平台

这项新研究报告说，石墨烯是评估生物分子隧道连接处蛋白质CT的潜在平台。重要的是，观察到石墨烯和AfFtn-AA界面处的充电取决于氧化铁的负载量。

在机械上，跨越生物分子结的CT分为三大类：非相干隧道，共振隧道和非共振隧道。生物分子在大于4nm的距离上具有低的隧道衰变系数（β）;因此，通过相干过程不可能进行长距离隧道掘进。

CT中跨生物分子液络部的界面有助于主要功能，包括分子电极耦合强度、能量对准和可用电荷载流子的数量。通常存在于生物分子和电极之间的界面电荷在高电荷蛋白质存在下明显更多。

虽然界面偶极子层不影响电荷传输，因为它延伸的深度微不足道，但强极化降低了分子导线以及掺杂硅和细菌视紫红质之间的耦合强度。在电子应用中考虑电荷载体非常重要。石墨烯由于其载流子数量和狄拉克点的最小而在这种情况下起着重要作用。

CT在生物分子连接处的行为

当AfFtn-AA直接吸附在铜支撑的石墨烯上时，观察到生物分子的隧穿行为。本研究报告了两种CT方案，即600-3000 Fe负载的高β和3600-4800 Fe负载的低β。重要的是，在所有Fe负载中都发现了与温度相关的CT活化，并且对于更高的Fe负载，能量势垒升高。

分析了铜//石墨烯//阿夫特-AA//GaOx/EGaIn与锥形EGaIn尖端的结，并记录了平均电流密度。观察到平均电流密度增加，表明铁蛋白和石墨烯之间的净CT增强。

石墨烯的能量分散度较高，与温度有关;然而，通过AfFtn-AA的CT传输被发现与温度无关。这些发现表明，温度依赖性条件主要是由界面引起的。这一观察结果也可能适用于其他生物分子隧道连接处。

本研究提出的模型基于对铜//石墨烯//AfFtn-AA//GaOx/EGaIn结的CT评估，表明与CT相关的温度依赖性源于石墨烯-AfFtn-AA接口，而不是来自AfFtn-AA上的非相干隧道。铁荷载的增加导致隧道距离的增加。

目前的研究强调了电极 – 蛋白质界面的重要性，并指出非金属电极可能赋予不同的特征，因为它们降低了电极杂交并改变了分子状态。

参考

Gupta, K. N. et al. (2022) Temperature-Dependent Coherent Tunneling across Graphene–Ferritin Biomolecular Junctions. ACS Applied Materials and Interfaces. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c11263