21 мая 2019

Сотрудники НИЯУ МИФИ создали нелинейно-оптическую фотоэлектрохимическую ячейку с уникально высокой эффективностью преобразования ИК-излучения

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.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Московский инженерно-физический институт) образован 8 апреля 2009 года на базе Московского инженерно-физического института (государственного университета). Историю ведёт от основанного в 1942 году Московского механического института боеприпасов (ММИБ). Первоначальной целью института ставилась подготовка специалистов для военных и атомных программ Советского Союза. В 1945 г. переименован в Московский механический институт, а в 1953 г. в Московский инженерно-физический институт (МИФИ). С 1993 г. — Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет). С 2003 г. — Московский инженерно-физический институт (государственный университет). С 2009 г. - Национальный Исследовательский Ядерный Университет "МИФИ".