Scheikundigen van het College of Arts and Sciences van de Universiteit van Syracuse hebben een revolutionaire vooruitgang geboekt in een alternatieve lichtbron - een die geen batterij of stekker nodig heeft.

Universitair hoofddocent Mathew Maye en een team van onderzoekers uit Syracuse, samen met medewerkers van Connecticut College, hebben onlangs een zeer efficiënte energieoverdracht aangetoond tussen halfgeleider kwantumstaven en luciferase-enzymen. Kwantumstaven en luciferase-enzymen zijn nanomaterialen en biomaterialen, respectievelijk. Wanneer correct gecombineerd, deze materialen produceren bioluminescentie, behalve in plaats van afkomstig te zijn van een biomateriaal, zoals een vuurvliegenzym, het licht komt uit een nanomateriaal, en is groen, Oranje, rood, of bijna-infrarood van kleur.

"Zie ons systeem als een ontwerpproject, Maye zegt. "Ons doel was om een ​​nano-biosysteem te bouwen dat veelzijdig genoeg is om ons veel te leren, terwijl het ons in staat stelt om belangrijke uitdagingen in het veld te overwinnen en praktische toepassingen te hebben. Het ontwerp omvat materialen uit onze scheikunde- en biologielaboratoria, evenals verschillende nanowetenschaps- en zelfassemblagetools. Het is een echte teamprestatie met meerdere samenwerkingen."

Maye illustreert zijn punt door te verwijzen naar kwantumstaven, die elk vier nanometer breed en 50 nanometer lang zijn. (Een nanometer is 1 miljardste van een meter.) "De staafjes werden chemisch gesynthetiseerd met verbazingwekkende precisie, "zegt hij. "Om de beste informatie te krijgen, we realiseerden ons dat we minstens twee verschillende soorten hengels nodig hadden, elk met drie synthetisch afgestemde variaties, en tot 10 verschillende montagevoorwaarden."

Het hebben van een breed scala aan variabelen heeft Maye en zijn team in staat gesteld om meer te leren over de wetenschap van nanobiologische energieoverdracht.

Voordat hij postdoc werd aan de Universiteit van Notre Dame, Rabeka Alam G'13 leidde het project in Syracuse als een Ph.D. student. Ze zegt dat dit werk een speciaal soort interactie belicht dat bekend staat als bioluminescentie-resonantie-energieoverdracht (BRET). "In de nanowetenschap een kwantumpunt of staaf is typisch een energiedonor, "zegt ze. "In ons geval, de energie kwam van bioluminescent luciferase."

Met BRET, het enzym zit vast aan het oppervlak van de staaf. Luciferine is toegevoegd, en fungeert als een soort brandstof. Wanneer het enzym en de brandstof op elkaar inwerken, ze geven een energie af die wordt overgedragen aan de staaf, waardoor het gaat gloeien.

"De truc om de efficiëntie [van BRET] te vergroten, is het vinden van de juiste donor-acceptorcombinatie, waarvoor verschillende staven en enzymen nodig zijn, " zegt Liliana Karam, een Syracuse Ph.D. student die momenteel het project leidt. "Dank aan onze collega's van Connecticut College, we hebben genetisch gemanipuleerde enzymen van meerdere kleuren die aan de staafjes zijn bevestigd, die, beurtelings, worden bereid in ons laboratorium in Syracuse."

Maye zegt dat de kwantumstaven zijn samengesteld uit halfgeleidende elementen, in het bijzonder, een buitenste schil van cadmiumsulfide en een binnenste kern van cadmiumselenide. Door de grootte en vorm van de kern te manipuleren, de lengte van de staaf, en de manier waarop de enzymen zijn bevestigd en verpakt op het oppervlak van de staaf, onderzoekers kunnen de kleur en intensiteit van het uitgestraalde licht veranderen, waarmee de algehele efficiëntie van het proces wordt aangetoond.

Postodc Tennyson Doane, een senior lid van de Maye Research Group, zegt dat een van de doorbraken van het project betrekking heeft op een speciaal type staaf die bekend staat als een 'staaf-in-staaf'. De groep heeft een hypothese opgesteld waarom deze specifieke hengel resulteert in hoge efficiëntiewinsten.

"Als je een staafvormige kern hebt, de resulterende fluorescentie is gepolariseerd, wat betekent dat cirkelvormig licht binnenkomt, en er komt lineair gepolariseerd licht uit, " zegt Doane, eraan toevoegend dat de vorm van het materiaal BRET efficiënter maakt. "Wij geloven dat, wanneer correct uitgelijnd met de door luciferase opgewekte toestand, de staaf ervaart efficiëntiewinsten die anders niet worden waargenomen in een zelf-geassembleerd nanosysteem. Het regelen van de enzymlocatie en bioluminescentiepolarisatie kan, op een dag, leiden tot nieuwe 'lichtschakelaars, " waarin alleen bepaalde enzymen rond de kwantumstaaf via BRET kunnen interageren."

Maye noemt dit 'biologie gebruiken voor niet-biologische toepassingen'.

"Onze nanostaafjes zijn gemaakt van dezelfde materialen die worden gebruikt in computerchips, zonnepanelen, en LED [light-emitting diode] lichten. Momenteel, ons systeem werkt het beste in het rode tot nabij-infraroodbereik, die langere golflengten heeft dan zichtbaar licht, en is onzichtbaar voor het oog, " hij zegt, zinspelend op nachtkijkers, medische beeldvorming, en snelle microbiële detectie. "Op ons werk is patent aangevraagd in Syracuse. Misschien, we zullen ooit met vuurvliegjes bedekte nanostaafjes hebben die in LED-lampen kunnen worden gestoken en die geen stekker nodig hebben."

De bevindingen zijn het onderwerp van een recent artikel in ACS Nano .