Possibility	  of	  nanomachines	  	  capable	  for	  medical	  sciences	
Carbon	  Nanotube	  (CNT)	

Protein	Drug	  delivery	  	  Bio-­‐sensor	

2011.	  10.	  7	  新学術領域研究：コンピューティクスによる物質デザイン研究会	

カーボンナノチューブ-­‐タンパク質複合体を用いた応用例	

亜鉛フタロシアニン（ZnPc）を内包したカーボンナノホーン（ＣＮＨ）をウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）で化学修飾し、分散させ、マウスの腫瘍に投与。	  

レーザー（波長670	  nm,	  160	  mW）を照射し、ZnPcとCNHの光誘起発熱により局所的に腫瘍の細胞を死滅させることに成功。	  
産総研プレスリリース：「カーボンナノホーンへ光治療用物質の内包に成功」 2008年9月23日	  h:p://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2008/pr20080923/pr20080923.html	   	  筑波大学	 
数理物質科学研究科・准教授	 長谷宗明（研究代表者）	 
研究総括・実験・解析等	 

筑波大学	 	 数理物質科学研究科・准教授	 
白木賢太郎（研究協力者）	 

北陸先端科学技術	 
大学院大学・准教授	 
J.	 D.	 Lee（連携研究者）	 

試料作成・議論	 

理論解析	 

Mo<va<on:	  coupling	  between	  Lysozyme	  and	  CNT	SWNT

Coupling
through ??
Lysozyme◆Possible change in optical phonons in SWNT
•Frequency-shift of the optical phonons in SWNT
•Change in the dephasing time of the optical phonons in SWNT
•Change in the amplitude of the optical phonons in SWNTProtein	  and	  carbon	  nanotubes:	  Close	  encounter	  in	  water	Figure	  1.	  Schema<c	  representa<ons	  of	  SWNT	  adducts	  in	  diﬀerent	  proteins:	  glucose	  oxidase	  (GOD-­‐SWNT),	  hemoglobin	  (HBA-­‐SWNT),	  histone	  (HST-­‐SWNT),	  human	  serum	  albumin	  (HSA-­‐SWNT),	  lysozyme	  (LSZ-­‐
SWNT),	  myoglobin	  (MGB-­‐SWNT),	  ovalbumin	  (OVB-­‐
SWNT),	  and	  trypsin	  (TPS-­‐SWNT).	  	

Ref) D. Nepal & K. E. Geckeler, Small, Vol. 3, p.1259 (2007). 	

Figure	  2.	  a)	  Vials	  containing	  the	  HiPCO	  SWNT	  products	  obtained	  from	  diﬀerent	  proteins	  at	  diﬀerent	  pH	  values.	  From	  leT:	  BSA,	  GOD,	  HBA,	  HST,	  LSZ,	  MGB,	  OVB,	  and	  TPS.	  The	  arrow	  in	  each	  row	  indicates	  the	  pH	  range	  of	  the	  respec<ve	  solu<ons.	  Charge	  transfer	  from	  absorbed	  proteins	Fig.	  1.	  AFM	  image	  of	  a	  nanotube	  device	  aTer	  a	  brief	  incuba<on	  with	  protein.	

Fig.	  2.	  (a)	  Current	  versus	  <me	  for	  a	  nanotube	  device	  incubated	  with	  40	  nM	  streptavidin.	  The	  arrow	  indicates	  the	  addi<on	  of	  streptavidin.	  (b)	  Current	  versus	  Ref) D. Nepal & K. E. Geckeler,
Nano Lett., Vol. 4, p.253 (2004). 	 gate	  voltage	  for	  the	  nanotube	  device.	  	

Fig.	  3.	  (a)	  Size	  comparison	  between	  a	  carbon	  nanotube	  and	  a	  streptavidin	  molecule.	  In	  the	  protein	  model,	  nitrogen	  atoms	  are	  red.	  (b)	  Schema<c	  of	  nanotube−protein	  interac<on.	

€

Genera<on	  mechanisms	  of	  coherent	  op<cal	  phonons	  Displacive Excitation of coherent
phonons（DECP）: semimetals (Bi, Sb, Te)

Impulsive stimulated Raman scattering(ISRS): molecular crystals, ferroelectrics€

ω1χ (2) (ω1;ω 2 ,ω 0 )Time delay

ω2ω2

ω1phonon€ Pω 0€Pump

Groundstates

€
Probe

Y. -X. Yan et al., J. Chem. Phys. 83, 5391 (1987).

€

Excited states
Energy	  (arb.	  units)	  χ (2) (ω 0 ;ω1,−ω 2 )Q0	   Q’0	  coordinate	  Zeiger et al., Phys. Rev. B, 45, 768 (1992).

Femtosecond	  pump-­‐probe	  technique	  λ~ 850 nm (1.46 eV)
Pulse width~ 30 fs
Rep. rate ~ 80 MHz
Pump power: 120 mW
in maximum(284 µJ/cm2)
Probe power: 3 mW
(7.0 µJ/cm2)

20	  Hz		  	  	  	  	  	  	  Coherent	  op<cal	  phonon	  in	  silicon	  64 フェムト秒	

M. Hase, M. Kitajima, A. M. Constantinuscu, and H. Petek, Nature Vol. 426, 51 (2003).

Op<cal	  excita<on	  of	  SWNT;	  Kataura	  plot	
Resonant	  impulsive	  Raman	  sca`ering	  dominates	  genera<on	  of	  coherent	  phonons	  	  A	  factor	  of	  	  103	  larger	  sca`ering	  probability	  than	  non-­‐resonant	  contribu<on	  Laser	  photon	  energy	  used	  (1.46eV)	  and	  distribu<on	  of	  the	  diameter	  of	  SWNTs	  (0.9-­‐1.3	  nm)	  suggest	  op<cal	  transi<on	  due	  to	  the	  S22	  band.	  
1.46eV	

S22	
S11	H.	  Kataura,	  et.al	  	  Synth.	  Met.,	  103	  ,2555	  (1999).	

The	  Radial	  Breathing	  Mode	  (RBM)	

Radial breathing modeR	  R~	  0.9-­‐1.3	  nm	  	  	  	  	  (in	  our	  case)	  The	  radial	  breathing	  mode	  (RBM)	  is	  a	  symmetric	  opVcal	  mode,	  whose	  frequency	  depends	  on	  the	  diameter	  (R)	  of	  nanotube;	  	ωRBM [cm-1] ＝ 248/R[nm][THz] ＝ 7.44/R[nm]（Only	  when	  the	  nanotubes	  are	  isolated）	

•	  Y.-­‐S.	  Lim,	  et	  al.,	  Nano	  Le:.	  6,	  pp.2696	  (2006).	  
•	  A.	  Gambe:a,	  et	  al.,	  Nat.	  Phys.	  2,	  pp.	  515	  (2006).	  
•	  K.	  Kato,	  et	  al.,	  Nano	  Le:.	  8,	  pp.	  3102	  (2008).	  
•	  J.-­‐H.	  Kim,	  et	  al.,	  Phys.	  Rev.	  Le:.	  102,	  pp.	  037402	  (2009).	  
•	  A.	  Jorio,	  et.al	  	  Phys.	  Rev.	  le:.,	  86	  ,	  pp.	  1118	  (2001).	

Observa<on	  of	  charge	  transfer:	  Protona<on	  of	  SWNT	When	  ions	  are	  absorbed	  on	  SWNT	  surface,	  charge	  transfer	  occurs	  between	  ions	  and	  SWNT.	
Protona<on	  at	  ＳＷＮＴ	  surface：	  Ｈ+	  ion	  acts	  as	  an	  accepter	  and	  capture	  an	  electron	  from	  SWNTs.	  	  	e-­‐	e-­‐	Ｈ+	As	  the	  pH	  decreases,	  the	  SWNTs	  change	  into	  p-­‐type	  semiconductor.	  

e-­‐	e-­‐	e-­‐	e-­‐	★Change	  in	  resonant	  Raman	  condi<on	★Modiﬁca<on	  of	  electron-­‐phonon	  	  	  	  	  coupling		  are	  expected.	  

M.	  S.	  Strano,	  et.al.	  	  J.Chem.	  Phys.	  B,	  107,	  6979	  (2003).	

Experimental	  details:	  sample	  prepara<on	ＣＮＴs	  tend	  to	  bundle	  together	  and	  not	  disperse	  in	  most	  of	  solvents.	

Dispersants	  are	  required	  to	  disperse	  CNT	  in	  soluVon.	
SDS,	  Protein	  and	  DNA	  are	  the	  choice	  of	  Dispersants.	  	
Sodium	  dodecyl	  sulfate	  (SDS)：	  a	  surfactant	  SWNT	  (produced	  by	  HiPco:	  high	  pressure	  carbon	  monoxide)	  was	  dispersed	  by	  SDS	  at	  pH	  =	  3	  ~	  7.	
Three	  diﬀerent	  proteins：SWNT	  (HiPco)	  was	  dispersed	  by	  proteins	  at	  pH	  =	  3.4	  ~	  6.5.	

Lysozyme	  (LSZ)	  M≈14,300	  (pH	  =	  3.4)	

Hemoglobin	  (HBA)	  M≈64,500	  (pH	  =	  5.6)	

Pepsin	  (PES)	  M≈35,000	  （pH	  =	  6.5）	

Absorp<on	  spectra	  of	  SDS-­‐SWNT	  solu<on	
Op<cal	  absorp<on	  due	  to	  the	  exciton	  resonance	  seems	  to	  be	  modiﬁed	  by	  protona<on	  eﬀect.	  

1.51	  eV	Spectrum	  of	  the	  laser	  used	

Similar	  results	  as	  in	  M.	  S.	  Strano,	  et.al.	  	  J.	  
Chem.	  Phys.	  B,	  107,	  6979	  (2003);	  	G.	  N.	  Otsojic	  et.al.	  	  Phys.	  Rev.	  Le:.,	  92,	  117402	  (2004).	

Results;	  transient	  transmission	  	pH=3	∆τ ∼ 0	  ps	

Photoinduced	  carrier	  and	  nonlinear	  response	∆τ ≥ 0.2	  ps	

Coherent	  op<cal	  phonon	Coherent	  RBM	  oscilla<ons	  under	  various	  pH	  values	A	  mode	  bea<ng	  pa`ern	  is	  due	  to	  RBMs.	  	  	Coherent	  RBM	  oscillaVons	  are	  extracted	  from	  the	  Vme-­‐domain	  data	  by	  subtracVng	  carrier	  background	  components	  ader	  ﬁfng	  with	  double	  exponenVal	  decay.	

FT	  spectra	  under	  various	  pH	  values	-12300I6.4/I7.2

350x10FT Intensity

250

1.4
1.2
1.0
0.8
0.6

Deprotonation	

3 4 5 6 7200

pHpH = 7150

pH = 6100

pH = 550

pH = 4
pH = 30
3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

Frequency (THz)

6.4	  THｚ ⇒ (m,	  n)	  =	  (13,2);	  R	  =	  1.16	  nm	  7.1	  THｚ ⇒ (m,	  n)	  =	  (12,1);	  R	  =	  1.03	  nm	  8.09.0Protonation(H+ increases;
H+ ions act asaccepters)	

The lower RBM (6.4 THz; larger
diameter tube) is more affectedby the protonation.	

K.	  Makino,	  et.al.	  	  Phys.	  Rev.	  B	  Vol.	  80	  ,	  pp.	  245428	  (2009).	

Time-­‐frequency	  analysis	
Wavelet	  Transform	

Short-­‐Vme	  FT	

Comparison	  with	  Molecular	  Dynamics	  Simula<ons:	  	  A	  new	  mode	  at	  ~	  4.2	  THz	  would	  be	  the	  Longitudinal	  Breathing	  mode	  (L)	  calculated	  at	  3.9	  THz.	

3.9	  THz	K.	  Makino,	  et.al.	  	  Phys.	  Rev.	  B	  Vol.	  80	  ,	  pp.	  245428	  (2009).	

T.	  Dumitrica,	  et.al.	  	  	  Phys.	  Rev.	  B	  74	  ,193406	  (2006).	

Experimental	  details:	  sample	  prepara<on	
ＣＮＴs	  tend	  to	  bundle	  together	  and	  not	  disperse	  in	  most	  of	  solvents.	

Dispersants	  are	  required	  to	  disperse	  CNT	  in	  soluVon.	
SDS,	  Protein	  and	  DNA	  are	  the	  choice	  of	  Dispersants.	  	
Sodium	  dodecyl	  sulfate	  (SDS)：	  a	  surfactant	  SWNT	  (produced	  by	  HiPco:	  high	  pressure	  carbon	  monoxide)	  was	  dispersed	  by	  SDS	  at	  pH	  =	  3	  ~	  7.	
Three	  diﬀerent	  proteins：SWNT	  (HiPco)	  was	  dispersed	  by	  proteins	  at	  pH	  =	  3.4	  ~	  6.5.	

Lysozyme	  (LSZ)	  M≈14,300	  (pH	  =	  3.4)	

Hemoglobin	  (HBA)	  M≈64,500	  (pH	  =	  5.6)	

Pepsin	  (PES)	  M≈35,000	  （pH	  =	  6.5）	

Coherent	  RBM	  under	  various	  protein	  environments	

Extracted	  from	  the	  <me-­‐domain	  data	  by	  subtrac<ng	  carrier	  background	  components.	

The	  amplitude	  of	  the	  coherent	  RBM	  is	  diﬀerent	  for	  diﬀerent	  protein	  environments	

Possibility	  of	  charge	  transfer	  at	  SWNT	  surface	  FT	  spectra	  under	  various	  protein	  environments	
The	  FT	  intensity	  was	  normalized	  at	  7.2	  THz	  because	  of	  the	  diﬀerent	  density	  of	  solu<ons.	  	  PEP/SWNT	  sample	  exhibits	  largest	  intensity	  ra<o	  of	  6.4	  THz/7.2	  THz.	
On	  the	  other	  hand,	  LSZ/SWNT	  system	  shows	  the	  decrease	  in	  the	  ra<o	  I6.4	  THz/I7.2	  THz.	  Considera<on	  of	  surface	  charge	  of	  proteins	
Lysozyme	  (LSZ)	  (pH	  =	  7)	Hemoglobin	  (HBA)	  (pH	  =	  7)	Pepsin	  (PES)	  （pH	  =	  7）	Views	  by	  PyMOLTM	

Minus charge	

Plus charge	
pH	  =	  3.4	  (Exp.)	

pH	  =	  5.6	  (Exp.)	

pH	  =	  6.5	  (Exp.)	
pH	  =	  7	LSZ	  has	  the	  most	  posi<ve	  charge	

pH	  dependence	  of	  surface	  charge	  of	  proteins	

LSZ	  can	  cause	  protona<on	  than	  PES	The	  pure	  eﬀect	  of	  the	  structures	  of	  proteins	
In	  order	  to	  exclude	  the	  eﬀect	  of	  surface	  charges	  of	  proteins,	  we	  are	  doing	  coherent	  phonon	  spectroscopy	  using	  only	  one	  protein	  under	  the	  constant	  value	  of	  pH	  ≈	  7.	
We	  have	  chosen	  LSZ	  as	  a	  standard	  sample.	  	

Ethanol	

α-helix（らせん構造）	

+	Lysozyme	  (LSZ)	  M≈14,300	

Trifluoroethanol(TFE)	

Hexafluoro-2-propanol(HFIP)	

Some	  papers	  show	  HFIP	  (or	  TFE)	  can	  induce	  α-­‐helix	  formaVon	  (or	  stabilizaVon)	  of	  proteins.	  
Ref).	  	  N.	  Hirota,	  K.	  Mizuno,	  and	  Y.	  Goto,	  Protein	  Sci.	  6,	  416	  (1997).	  	Coherent	  RBM	  of	  LSZ/SWNT	  under	  various	  alcohol	  addi<ves	

Beat pattern change?	
Coherent	  RBM	  oscillaVons	  are	  extracted	  from	  the	  Vme-­‐domain	  data	  by	  subtracVng	  carrier	  background	  components	  ader	  ﬁfng	  with	  double	  exponenVal	  decay.	

FT	  spectra	  of	  coherent	  phonons	  under	  various	  addi<ons	

6.4	  THｚ ⇒ (m,	  n)	  =	  (13,2);	  R	  =	  1.16	  nm	  7.1	  THｚ ⇒ (m,	  n)	  =	  (12,1);	  R	  =	  1.03	  nm	  The higher RBM (7.1 THz; larger
diameter tube) is strongly
affected by the addition of HFIP.	

Construc<on	  of	  noncolinear	  op<cal	  parametric	  ampliﬁer	  (NOPA)	

400 ~ 900 nm (~ 1800 nm)の波長域で、20 fs以下のパルスを発生できる。	

蛋白質の選択的励起、あるいは、SWNTの選択的励起ができれば、構造変化や電荷移動の効果が包括的に調べられる。	

Future	  plans	 NOPAシステムの構築（タンパク質-CNT複合体の選択励起）

 高密度光励起によるSWNTの構造変化（実験・理論計算）©Traian Dumitrica 	(University of Minnesota)	

 波形整形パルス列を用いたタンパク質構造のコヒーレント制御