Fotoelektromos jelenségek reakciócentrum fehérje-nanohibrid rendszerekben

Szabó Tibor
Fotoelektromos jelenségek reakciócentrum fehérje-nanohibrid rendszerekben.
PhD, University of Szeged.
(2019)

[img]
Preview
PDF (disszertáció)
Download (2MB) | Preview
[img]
Preview
PDF (tézis)
Download (421kB) | Preview
[img]
Preview
PDF (tézis)
Download (522kB) | Preview

Abstract in Hungarian

Munkám során fehérjékből (bakteriális fotoszintetikus reakciócentrum és torma peroxidáz) és szervetlen hordozókból (indium-ón-oxid, dópolt és dópolatlan szén nanocsövek, vezető polimerek) készítettem bionanokompozit anyagokat és karakterizáltam azokat képalkotó eljárások, spektroszkópiai, elektrokémiai és tömegspektroszkópiai módszerek segítségével. Rászárításos módszerrel rögzítettem RC-ot ITO felületére, majd mértem a rendszer ellenállásának változását fénnyel való gerjesztést követően a fehérje koncentrációjának függvényében. Megállapítottam, hogy az ellenállás változás nem egyfázisú, hanem telítési jellegű, mely telítődési jelenség összefüggő monoréteges borítottság esetén jelentkezik. A koncentráció növekedésével a jelenséget az elnyelt hő disszipációja miatti ellenállásváltozás dominálja, melyet referenciamérésekkel igazoltam megfelelő koncentrációjú tiszta klorofillt alkalmazva. A mérés érzékenysége igen jónak mondható, már néhány pM RC is mérhető ellenállás változást eredményez a rendszerben. Megmutattam továbbá azt is, hogy a RC száraz körülmények között is megőrzi aktivitását, megfelelő körülmények között képes fény gerjesztés hatására fotoáramot generálni. Ennek érdekében ITO és ezüst elektródák között egy vezető polimer rétegstruktúrát alakítottam ki PEDOT:PSS és P3HT vezető polimerek alkalmazásával. Az RC-ot a P3HT rétegbe építettem be oly módon, hogy többfalú szén nanocsövek felületére növesztettem P3HT szálakat, majd ebbe a struktúrába ágyaztam a fehérjét. Szelektív gerjesztés segítségével megmutattam, hogy a megnövekedett fotofeszültség a fehérje aktív részvételének tudható be. Az RC-mal érzékenyített rendszert vörös fénnyel gerjesztve (ebben a tartományban az RC-nak jelentős elnyelése van) 2,1-szeres, míg zöld fényt alkalmazva csupán 1,3-szoros fotofeszültség növekedést mértem. A RC felhasználásával kialakított kompozit anyagokat vizes környezetben is tanulmányoztam. ITO/MWCNT/RC kompozitot egy háromelektródos elektrokémiai cellába helyeztem munkaelektródként, ahol ellenelektródként platinát, míg referenciaként Ag/AgCl elektródot alkalmaztam. A rendszer fénnyel való gerjesztés hatására magas ionerősség esetén (0,1 M NaCl jelenlétében) körülbelül 0,3 µA fotoáramot generál, melyet a hozzáadott ferrocén mediátor nem befolyásol számottevő mértékben, ellenben az akceptorként alkalmazott UQ0 1 µA-re növel. Alacsony ionerősség esetén (só mentes TRIS pufferben) mind a donor mind az akceptor típusú mediátor befolyásolja a fotoáram amplitúdóját. Habár azonos koncentrációk esetén itt az elért fotoáram nagysága kisebb (≈0.3 µA) a felfutás sebessége jelentős mértékben megnő. Amennyiben a szén nanocsőre nem EDC/NHS kötőszer alkalmazásával, hanem PTAA vezető polimer segítségével rögzítettem az RC fehérjét, további fotoáram növekedést értem el. A növekedés annak tulajdonítható, hogy a PTAA nem csak a rögzítést végzi, hanem az elektromos kapcsolatot is elősegíti az elektród és a fehérje között. Vezető polimer alkalmazásával körülbelül 7 µA áramot értem el, ami közel egy nagyságrendnyi javulást jelent az EDC/NHS technikához képpest. Munkám során meghatároztam az alkalmazott szén nanocső hordozók elemösszetételét, dópolt nanocsövek esetén a beépült kén és nitrogéntartalmat is, mely jelentősen befolyásolja a kialakult szén nanocső fizikai tulajdonságait. Kompozit anyagok esetén az alkotók részarányának meghatározása igen fontos, viszont ez nanorendszerek esetén nem feltétlen egyszerű feladat. Ennek érdekében egy tömegspekrtometriás módszert alkalmaztam, mely a radiokarbon tartalom mérésén alapszik. Amennyiben az alkotók 14C tartalma jelentősen eltér, az alkotók és a komplex radiokarbon tartalmának mérésével az alkotók részaránya számítható. Többfalú szén nanocsőből és reakciócentrum fehérjéből előállított kompozit esetén az RC/MWCNT arány 53 m/m%-nak adódott. Hasonló méréseket végeztem MWCNT/HRP kompozit esetén is, ahol szintén radiokarbon mérésekre alapozva a HRP/MWCNT arány 72 m/m%-nak adódott.

Abstract in foreign language

During my research work I prepared protein based bionanocomposit materials from bacterial photosynthetic reaction center protein (RC) and horseradish peroxidase enzyme (HRP) with inorganic carrier materials (indium-tin-oxide, doped or undoped carbon nanotube and conducting polymers) and characterized the structural, spectroscopical, electrochemical properties. RCs were fixed to the surface of ITO by drying method and I measured the conductivity change of the system in the function of the RC concentration. I observed that the conductivity change shows saturation when the surface is covered by RC monolayer. In case of higher concentration the conductivity change is caused by the heat dissipation of the absorbed light energy. The conductivity change in this phase fits well with the one measured for the ITO covered by the photochemically inactive BChl as a control experiment. The sensitivity of the measurement is very good, some pM RC cause measurable conductivity change. I showed that as well, the RC protein keep the activity under dried condition and able to generate light induced photocurrent. I prepared an optoelectronic device used ITO and silver electrodes with conducting polymer (PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylene-dioxythio-phene):poly(styrenesulfonate)) and P3HT (poly-(3-hexyl-thiophene))) layer structure between it. P3HT fibers were grown on the surface of MWCNTs and RCs were built in to the P3HT structure. The active contribution of the RC in the increased photovoltage confirmed by selective light excitation. We can conclude that although the composite has relatively large absorption in the green spectral range, the absolute value of the photovoltage with green light illumination is smaller than the one measured with red light. In addition, the ratio of photovoltage measured for sensitised and non-sensitised sample is smaller for green light than red light (1.3 vs. 2.1). I investigated the RC based composite materials under wet condition as well, in an electrochemical cell. The ITO/MWCNT/RC, the platinum and the Ag/AgCl electrodes were used as working, counter and reference electrode respectively. When I used 0.1 M NaCl as an electrolyte in the system (high ionic strength) the measured photocurrent was only 0.3 µA under light excitation. The added ferrocene mediator has not got any effect on the system, but UQ0 increases it to 1 µA. If NaCl was not added (low ionic strength), and the reaction mixture contained only TRIS (20 mM, pH 7.0) and the mediators according to the measurement protocol, I measured a small effect of the ferrocene addition and considerable shortening in the current rising time. The result of this measurement confirms that after binding to the electrode the RC keeps its photochemical activity and the donor and acceptor sites remain accessible to the mediators. The accessibility of the donor site is affected by the ionic strength of the solution. The measured photocurrent increased toward if I used PTAA conducting polymer as a crosslinker instead of EDC/NHS. The PTAA behaves not only as a crosslinker, but it can help the electron transfer between the protein and the electrode material. In this case under the same measuring protocol the measured photocurrent was 7 µA. This result is almost one order of magnitude higher then the EDC/NHS method. I determined the isotope content of the applied carbon nanotubes. In case of doped nanotubes the nitrogen and the sulfur content was also determined, which change significantly the physical properties of the MWNTs. The ratio of the different components of the nanocomposit material is an important parameter, but the determination is not so easy. In order to find out it I used mass spectrometry, based on radiocarbon measurement. If the 14C content of the components significantly different, the ratio of the components are calculable. The RC content of the RC/MWCNT composite was 53 wt%. I did similar mass spectroscopy measurement with HRP/MWCNT bionanocomposite, and in in this composite the determined protein content was 72 wt%.

Item Type: Thesis (PhD)
Creators: Szabó Tibor
Hungarian title label: Fotoelektromos jelenségek reakciócentrum fehérje-nanohibrid rendszerekben
Title of the thesis in foreign language: Photoelectric processes in reaction center protein-nanohibride systems
Divisions: Doctoral School of Physics
Discipline label: természettudományok > fizikai tudományok
Defence date label: 2019. March 08.
Uncontrolled Keywords: Bionanokompozit, fotoszintetikus reakciócentrum fehérje, torma peroxidáz, szén nanocső, indium-ón-oxid
Item ID: 9913
Date Deposited: 2018. Sep. 19. 14:45
Last Modified: 2019. Apr. 30. 11:19
Depository no.: B 6500
Supervisor label:
Supervisor Supervisor scientific name label
Dr. Nagy László
egyetemi docens, Phd, SZTE Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet
Reviewer label:
Reviewer name label Reviewer scientific name label
Dr. Kelemen Lóránd
Dr. Geretovszky Zsolt
PhD, tudományos főmunkatárs, MTA SZBK Biofizikai Intézet
PhD, egyetemi docens, SZTE TTIK Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék
President label:
President name label President scientific name label
Dr. Hopp Béla
DSc, tanszékvezető egyetemi tanár, SZTE TTIK Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék
Member label:
Member name label Member scientific name label
Dr. Zimányi László
Dr. Csete Mária
DSc, tudományos tanácsadó, MTA SZBK
PhD, tudományos főmunkatárs, SZTE TTIK Optikai és Kvantumelektronikai Tanszék
URI: http://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/9913
Defence/Citable status: Not Defended. (Do not cite until it has not assigned DOI number!)

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year