蛋白质链量子输运特性研究：基于紧束缚模型与石墨烯纳米带电极的非线性电流-电压行为分析

本研究针对蛋白质电子传输机制这一生物电子学关键问题，通过构建三种不同构象（P1/P2/P3）的蛋白质链模型，采用紧束缚（TB）哈密顿量模型结合Landauer-Büttiker公式，系统研究了蛋白质-石墨烯纳米带（aGNR）复合体系的量子输运特性。研究发现非线性电流-电压（I-V）特性与构象变化、温度及电极宽度密切相关，氢键分布差异导致P3构象具有最高饱和电流，为疾病相关突变研究和纳米器件开发提供了理论基准。

　　

在生命活动与纳米技术交叉领域，蛋白质如何实现高效电子传输始终是困扰科学家的核心问题。传统观点认为蛋白质作为生物大分子主要承担生化功能，但其独特的电子传导特性近年来在光合作用、细胞呼吸等关键生命过程中展现出惊人的量子效应。然而，蛋白质复杂的构象变化、温度敏感性以及与传统电极材料的界面耦合问题，严重制约着其在生物电子器件中的应用。更棘手的是，目前对蛋白质电子传输的微观机制缺乏系统认识，特别是氢键网络分布与量子输运特性的构效关系尚不明确。

针对这些挑战，拉齐大学物理系的研究人员创新性地将蛋白质链与具有金属特性的扶手椅型石墨烯纳米带（armchair graphene nanoribbon, aGNR）电极结合，在《Scientific Reports》发表了突破性研究成果。他们构建了三种典型构象的36氨基酸蛋白质链模型：仅含肽键的P1构象，以及含13个氢键的P2/P3构象，通过紧束缚（TB）哈密顿量模型精确描述电子态，结合Landauer-Büttiker量子输运理论，系统分析了温度（0.001-0.0075单位）、电极宽度（W=26/32/41）和耦合强度（t"=0.25-0.35 eV）对传输特性的影响。研究特别引入θ_??′扭角波动项来模拟温度效应，并通过递归格林函数法计算了传输概率（TP）和电流-电压（I-V）特性。

【TB哈密顿量模型】
研究采用三部分哈密顿量描述体系：蛋白质链（H_P）包含肽键（t_P??′=-0.3 eV）和氢键（t'_P??′=-0.03 eV）的跃迁项，通过cos(θ_??′)项引入温度依赖；aGNR电极（H_E）采用宽度相关的能带结构；界面耦合（H_T）通过t"参数调控。通过求解表面格林函数g_λ(E)获得自能Σ_λ(E)，最终由Fisher-Lee关系计算传输概率。

【量子传输特性】
能带结构分析显示P1构象的HOMO-LUMO能隙最大（0.044 eV），P2/P3为0.04 eV。图3数据表明电极宽度增加会降低TP峰值，W=41时电流幅值较W=26下降约40%，这是由于p_z轨道在宽电极中产生更多横向输运通道。图4揭示构象差异导致显著电流变化：P3电流比P2高15%，得益于其优化的氢键空间分布。

【温度与耦合效应】
如图5所示，温度升高使I-V曲线从阶梯状（T=0.001）转变为线性（T=0.0075），源于费米分布展宽促进电子跨越TP能隙。图6显示耦合强度t"从0.25增至0.35 eV时，电流提升2.1倍，证实强耦合使电极-蛋白质能级更好对齐。

这项研究首次系统阐明了蛋白质构象、氢键网络与量子输运的定量关系，为解析疾病相关突变（如文中涉及的13氢键突变）的电子传输异常提供了新视角。所发现的非线性I-V特性向线性转变的临界温度参数，为生物传感器设计提供了重要参考。更深远的意义在于，该工作建立了蛋白质-石墨烯异质结的理论研究范式，通过精确调控t"耦合参数和aGNR宽度，为下一代生物电子器件（如文中提及的bio-rectifiers和bio-transistors）的性能优化指明了方向。未来可基于此模型拓展研究更多病理相关蛋白突变体，或将推动"蛋白质电子指纹"诊断技术的发展。