Престижный международный журнал Biosensors and Bioelectronics опубликовал работу сотрудников Лаборатории нано-биоинженерии (ЛНБИ) НИЯУ МИФИ, научного сотрудника, к.ф.-м.н. Виктора Кривенкова, руководителя группы нанохимии, к.хим.н. Павла Самохвалова и ведущего ученого, д.хим.н., проф. Игоря Набиева "Remarkably enhanced photoelectrical efficiency of bacteriorhodopsin in quantum dot–purple membrane complexes under two-photon excitation" (Biosensors and Bioelectronics, 2019, 137, 117–122).
В статье описана фотоэлектрохимическая ячейка на основе гибридного нано-биоматериала, состоящего из фоточувствительных «пурпурных мембран» бактерии Halobacterium salinarum и квантовых точек, которая эффективно работает в двухфотонном режиме возбуждения в инфракрасной области оптического спектра. Пурпурные мембраны бактерий H. salinarum содержат фоточувствительный белок бактериородопсин, который и генерирует трансмембранный электрический потенциал. Собственный спектр поглощения света белком достаточно узок и, в частности, не захватывает инфракрасную область. Увеличение эффективности работы ячейки достигается тем, что квантовые точки, чьи уникальные нелинейно-оптические свойства позволяют эффективно преобразовывать энергию двух поглощенных ИК-фотонов в один квант более высокой энергии, передают энергию возбуждения бактериородопсину безызлучательно, за счет ферстеровского резонансного переноса энергии (FRET).
Уникальность разработанной фотоэлектрохимической ячейки, по сравнению с подобными ячейками на основе природных белков и ап-конверсионных наночастиц, состоит в том, что авторам удалось реализовать двухфотонный фото-отклик за счет возбуждения квантовых точек в ИК-области и достижения весьма высокой эффективности передачи энергии их возбуждения бактериородопсину. Благодаря этому, созданная авторами нано-биогибридная система преобразует свет в ИК-области в электричество в 4,3 раза эффективнее, чем исходные пурпурные мембраны. Этого результата удалось добиться за счет использования синтезированных в ЛНБИ уникальных квантовых точек нового поколения, с многослойной оболочкой, которые имеют квантовый выход фотолюминесценции достигающий 100% и могут быть прочно связаны с поверхностью пурпурных мембран.
Благодаря высокой эффективности преобразования энергии, нелинейной природе двухфотонного возбуждения, и связанному с ней резкому порогу чувствительности к излучению, новая фотоэлектрохимическая ячейка может найти широкое применение в биосенсинге, разработке элементов оптических и голографических компьютеров и различных областях опто- и биоэлектроники.