Electroactive Proteinoid–Quantum Dot Systems

Proteinoid-quantum dot (QD) conjugates are a new class of bioquantum hybrid materials combining biological self-assembly with semiconductor nanocrystal electronic properties. This study describes the synthesis and analysis of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>Glu</mml:mtext> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mtext>Phe</mml:mtext> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mtext>Asp</mml:mtext> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mtext>Cys</mml:mtext></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> proteinoid-QD networks using sulfosuccinimidyl 4-(N-maleimidomethyl)cyclohexane-1-carboxylate (sulfo-SMCC) cross-linking chemistry, achieving 80-90% conjugation efficiency. Scanning electron microscopy reveals a morphological transformation from spherical precursors to toroidal nanostructures with outer diameters of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>145.2</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>18.7</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mtext>nm</mml:mtext></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> and central cavities of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>102.3</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>15.2</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mtext>nm</mml:mtext></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> . The hybrid networks exhibit spontaneous electrochemical oscillations ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0.03</mml:mn></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0.11</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mtext>Hz</mml:mtext></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>297</mml:mn></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> - <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>485</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mtext>mV</mml:mtext></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> ) reproducible across trials. QD incorporation enhances signal amplitude 41-fold ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1999</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mtext>mV</mml:mtext></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> vs. <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>48.8</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mtext>mV</mml:mtext></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> ) via surface plasmon coupling. Optimal charge transfer resistance for biosensing is ≈ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5250</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mi>Ω</mml:mi></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> . Electron transfer kinetics follow first-order decay ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0.0032</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mo> </mml:mo> <mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>Hz</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> ). The networks respond to structured binary input over 5 days, displaying frequency synchronization at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0.022217</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mtext>Hz</mml:mtext></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> . Magnitude-squared coherence values are <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0.90</mml:mn></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> for pure proteinoids and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0.85</mml:mn></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> for conjugates. The system exhibits adaptive response-like behavior through structural transformations, enabling applications in neuromorphic computing, adaptive biosensors, and information processing architectures.