Kemister vid Syracuse University's College of Arts and Sciences har gjort ett transformationsframsteg i en alternativ ljuskälla - en som inte kräver ett batteri eller en kontakt.

Docent Mathew Maye och ett team av forskare från Syracuse, tillsammans med medarbetare från Connecticut College, har nyligen visat högeffektiv energiöverföring mellan halvledarkvantstänger och luciferasenzymer. Kvantstänger och luciferasenzymer är nanomaterial och biomaterial, respektive. När den kombineras korrekt, dessa material ger bioluminescens - utom istället för att komma från ett biomaterial, såsom ett eldfluga -enzym, ljuset kommer från ett nanomaterial, och är grön, orange, röd, eller nästan infrarött i färg.

"Tänk på vårt system som ett designprojekt, "Maye säger." Vårt mål har varit att bygga ett nano-biosystem som är mångsidigt nog för att lära oss mycket, samtidigt som vi kan övervinna betydande utmaningar på området och ha praktiska tillämpningar. Designen innefattar material från våra kemi- och biologilaboratorier, samt olika nanovetenskap och självmonteringsverktyg. Det är en verklig laginsats med flera samarbeten. "

Maye illustrerar sin poäng genom att referera till kvantstavar, var och en är fyra nanometer bred och 50 nanometer lång. (En nanometer är 1 miljarddels meter.) "Stavarna syntetiserades kemiskt med fantastisk precision, "säger han." För att få den bästa informationen, vi insåg att vi behövde minst två olika typer av stavar, var och en med tre syntetiskt inställda varianter, och upp till 10 olika monteringsförhållanden. "

Att ha ett brett spektrum av variabler har gjort det möjligt för Maye och hans team att lära sig mer om vetenskapen om nano-biologisk energiöverföring.

Innan han blev postdoc vid University of Notre Dame, Rabeka Alam G'13 ledde projektet på Syracuse som doktorand. studerande. Hon säger att detta arbete belyser en speciell typ av interaktion som kallas bioluminescensresonansenergioverföring (BRET). "Inom nanovetenskap, en kvantpunkt eller stav är vanligtvis en energidonator, "säger hon." I vårt fall, energin kom från bioluminescerande luciferas. "

Med BRET, enzymet är fäst vid stavens yta. Luciferin läggs till, och fungerar som ett slags bränsle. När enzymet och bränslet interagerar, de släpper ut en energi som överförs till stången, får det att lysa.

"Tricket för att öka effektiviteten [för BRET] är att hitta rätt kombination av givare-acceptor, som kräver olika stavar och enzymer, "säger Liliana Karam, en doktorand i Syracuse student som för närvarande leder projektet. "Tack till våra kollegor på Connecticut College, vi har genetiskt manipulerade enzymer i flera färger som är fästa vid stavarna, som, i tur och ordning, är förberedda i vårt labb på Syracuse. "

Maye säger att kvantstavarna består av halvledande element-specifikt ett yttre skal av kadmiumsulfid och en inre kärna av kadmiumselenid. Genom att manipulera kärnans storlek och form, stångens längd, och hur enzymerna fästs och packas på stavens yta, forskare kan ändra färgen och intensiteten på det ljus som avges, vilket visar processens totala effektivitet.

Postodc Tennyson Doane, en senior medlem i Maye Research Group, säger att ett av projektets genombrott involverar en speciell typ av stång som kallas en "rod-in-rod". Gruppen har hypotiserat varför just denna stav resulterar i högeffektiva vinster.

"När du har en stavformad kärna, den resulterande fluorescensen är polariserad, vilket betyder att cirkulärt ljus kommer in, och linjärt polariserat ljus kommer ut, säger Doane, tillägger att materialets form gör BRET mer effektivt. "Vi tror att, när den är korrekt anpassad till det luciferas-exciterade tillståndet, staven upplever effektivitetsvinster som annars inte bevittnas i ett självmonterat nanosystem. Kontroll av enzymplatsen och bioluminescenspolarisering kan, en dag, leda till nya 'ljusomkopplare, "där endast vissa enzymer runt kvantstaven kan interagera via BRET."

Maye kallar detta "att använda biologi för icke-biologiska tillämpningar."

"Våra nanoroder är gjorda av samma material som används i datorchips, solpaneler, och LED-lampor [lysdiod]. Just nu, vårt system fungerar bäst i det röda till nära infraröda området, som har längre våglängder än synligt ljus, och är osynlig för ögat, " han säger, anspelar på mörkerseende, medicinsk bildbehandling, och snabb mikrobiell upptäckt. "Vårt arbete är patentsökt på Syracuse. Kanske, Vi kommer en dag att ha eldfluga-täckta nanoroder som kan sättas in i LED-lampor och inte kräver en kontakt. "

Resultaten är föremål för en ny artikel i ACS Nano .