紫細(xì)菌光合蛋白納米仿生膜及器件研究.pdf

1、開發(fā)和應(yīng)用各類光電功能材料，實現(xiàn)穩(wěn)定、高效和綠色地利用太陽能是人類一直追求的夢想，也是解決各類能源問題的有效途徑。另一方面，承擔(dān)了地球上幾乎所有生物能量來源和生命基礎(chǔ)的光合作用因具有任何現(xiàn)有的人工材料或器件所無法相比的高效光電轉(zhuǎn)換能力而倍受關(guān)注。近年來，針對從光合紫紅細(xì)菌中分離純化出來的，作為細(xì)菌光合過程中能夠產(chǎn)生光致電荷分離的最小結(jié)構(gòu)單元的，反應(yīng)中心復(fù)合體(reactioncenter，簡稱RC)的結(jié)構(gòu)和功能研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。在

2、對RC原初光物理和光化學(xué)過程深入理解的基礎(chǔ)上，通過建立和運用各種先進(jìn)的材料制備技術(shù)、定點的蛋白變異和基因工程、分析探索的新方法，實現(xiàn)高效光敏蛋白復(fù)合光電材料的研制，以及仿生膜內(nèi)蛋白激發(fā)態(tài)弛豫過程的揭示，兼具了重要的理論研究價值和實際應(yīng)用前景。 圍繞穩(wěn)定、高效的新型功能化RC納米仿生膜的開發(fā)探索，尤其在提高基體電極上蛋白的負(fù)載，促進(jìn)蛋白向基體電極的光致電子注入，控制蛋白在基體電極表面的有利方位，以及揭示蛋白復(fù)雜、快速和有效的能量／

3、電子傳遞過程等方面，我們開展了一系列循序漸進(jìn)的創(chuàng)新性工作，包括： 1、利用陽極氧化水解法制備的具有多孔結(jié)構(gòu)特征的納米晶Ti02薄膜吸附光敏蛋白實現(xiàn)了RC仿生膜光電極的制備。RC在近紅外區(qū)的高效捕光功能與Ti02良好的光致電荷分離能力相結(jié)合，明顯改善了仿生膜光電極的光電轉(zhuǎn)化效率。 2、創(chuàng)新性地建立了針對RC裁剪設(shè)計的新型介孔W03-ti02膜修飾固定光敏蛋白制備仿生膜光電極的方法。首次采用具有開放孔道、均一孔徑分布和理想親

4、水性的新型介孔W03-Ti02實現(xiàn)了保持RC生物活性前提下對蛋白的高效捕獲。利用該介孔W03-Ti02能級的匹配性促進(jìn)RC在光照后電子向納米半導(dǎo)體電極的注入，有效降低了分離純化后RC自身的電子傳遞及電荷重組對蛋白光電轉(zhuǎn)換的負(fù)面影響。 3、通過對RC內(nèi)色素的特定替換改變輔助因子的電荷分離態(tài)能級，進(jìn)一步削弱光敏蛋白在介孔W03-Ti02電極上受激后自身的電子傳遞及電荷重組。所獲得的變異RC／W03-Ti02仿生膜表現(xiàn)出前所未有的高效

5、光電轉(zhuǎn)換能力(相比于現(xiàn)有的其它RC光電極)。 4、采用自組裝技術(shù)首次在基于特定設(shè)計的功能化金膠表面實現(xiàn)了RC的修飾。通過控制RC在金膠表面的有利取向和方位，并利用金膠粒子對電子存儲和穿梭表現(xiàn)出的優(yōu)良特性，嘗試了從另～個角度研究與開發(fā)高效的光敏蛋白納米仿生光電材料。 5、開創(chuàng)性地搭建了現(xiàn)場飛秒泵浦一探測(femtosecondpump-probe)／電化學(xué)聯(lián)用技術(shù)平臺，發(fā)展了探索分析光合色素一蛋白超快能量與電子傳遞過程的新

6、方法。首次報道了對電化學(xué)氧化引起的紫細(xì)菌外周天線蛋白(1ight-harvestingcomplex2，簡稱LH2)的快速能量陷獲研究。 具體地，論文由以下六個部分構(gòu)成： 一、緒論 圍繞論文的主題，本章節(jié)首先明確了課題研究的重要意義。之后，概括地闡述了有關(guān)RC結(jié)構(gòu)和功能的背景信息。作為本章的核心內(nèi)容，RC功能性納米仿生膜的構(gòu)建及其光致電子傳遞的相關(guān)研究現(xiàn)狀被作了重點介紹，對相應(yīng)的文獻(xiàn)也進(jìn)行了較全面的綜述。最后簡要

7、歸納了論文的主要創(chuàng)新性。 二、電沉積納米晶Ti02固定RC制備仿生膜光電極的方法與研究 本章節(jié)詳細(xì)介紹了采用陽極氧化水解法合成的具有多孔結(jié)構(gòu)特征的納米晶Ti02薄膜吸附RC制備功能性仿生膜光電極的相關(guān)研究工作。ITO／Ti02／RC仿生膜光電極的近紅外一可見吸收光譜、熒光光譜測試結(jié)果表明了修飾在納米Ti02薄膜上的光敏蛋白仍然保持了原有的生物活性。RC在仿生膜光電極內(nèi)展現(xiàn)出特有的，可重現(xiàn)的近紅外光電響應(yīng)行為，其在長波長區(qū)

8、的高效捕光功能起到了敏化納米Ti02的作用，提高了納米Ti02電極的光電轉(zhuǎn)換效率。納米半導(dǎo)體材料與光敏蛋白的結(jié)合既拓寬了Ti02對太陽光的吸收利用又促進(jìn)了RC的光致電荷分離，顯著改善了整個光電極的光電轉(zhuǎn)化效率，為研究與開發(fā)生物光電器件提供了新的借鑒。然而，同一批八通道制備的ITO／Ti02／RC仿生膜光電極的光電流檢測結(jié)果則反映出由不規(guī)則的納米Ti02晶粒間空隙組成的孔道在對RC的高效捕獲上仍存在著較大缺陷。 三、剪裁設(shè)計的新型

9、三維蟲洞介孔W03-Ti02固定RC制備仿生膜光電極的方法與研究 本部分工作的側(cè)重點在于針對光敏蛋白的高效捕獲及其光致電荷分離的有效促進(jìn)，建立了采用剪裁設(shè)計的新型介孔W03-Ti02膜修飾固定RC制備仿生膜光電極的方法。通過對不同孔徑、結(jié)構(gòu)和組成的材料在吸附RC效果上的比較表明：根據(jù)“酸堿對”概念剪裁制備的，具有開放孔道、均一孔徑分布(孔徑中心尺寸～7．1nm)和理想親水性的三維蟲洞介孔W03-ti02膜對于保持RC生物活性前提

10、下的蛋白捕獲最為高效(RC負(fù)載量：0．63＃mol／g)。ITO／W03-Ti02／RC仿生膜光電極的熒光和光電化學(xué)測量結(jié)果證實：W03-Ti02復(fù)合材料高于單一組分的光致電子空穴對分離能力以及與光敏蛋白能級的匹配性能夠有效促進(jìn)受激后RC向納米半導(dǎo)體電極的電子注入，降低分離后RC自身的電子傳遞及電荷重組對仿生膜光電極光電轉(zhuǎn)換的負(fù)面影響。利用新型介孔半導(dǎo)體材料與光敏蛋白的結(jié)合實現(xiàn)了RC仿生膜光電極對太陽光能盡可能高效的吸收利用，為各種功能

11、性生物光電器件的設(shè)計邁出了堅實的一步。 四、細(xì)菌脫鎂葉綠素(BPhe)被植物脫鎂葉綠素(Phe)替換的RC變異體／三維蟲洞介孔W03-Ti02仿生膜光電極的制備與研究承接上一章的工作，本部分主要進(jìn)行了將RC的色素替換變異株(Phe-RC)應(yīng)用于構(gòu)建仿生膜光電極的考察和研究，目的在于深入探索修飾在電極表面RC色素替換體的復(fù)雜多途徑光致電子傳遞過程，并在此基礎(chǔ)上嘗試開發(fā)更高效的生物光電器件。近紅外一可見吸收光譜和圓二色譜測試結(jié)果表明

12、了色素替換的成功(替換效率不低于95％)。熒光發(fā)射，飛秒泵浦～探測和電化學(xué)實驗的結(jié)果揭示了電荷分離態(tài)P+Phe'相比P+BPhe-更高的自由能能級，以及由此導(dǎo)致的1)Phe-RC自身能量／電子傳遞的明顯受阻；2)B*(細(xì)菌葉綠素單體激發(fā)態(tài))，P木(細(xì)菌葉綠素二聚體激發(fā)態(tài))和P+(細(xì)菌葉綠素二聚體氧化態(tài))相比天然RC中對應(yīng)物種壽命的顯著增加。光電化學(xué)的測量結(jié)果進(jìn)一步顯示，電子傳遞的受阻加之介孔W03-Ti02與蛋白能級的匹配性使得被W03

13、-Ti02膜捕獲的Phe-RC向半導(dǎo)體導(dǎo)帶的電子注入有了進(jìn)一步增強(qiáng)，更有效地促進(jìn)了仿生膜光電極電子一空穴對的分離，光電轉(zhuǎn)換效率得到了極大地提高(IPCE800nm：～23％)。 五、功能化金膠控制RC在自組裝仿生體系內(nèi)有利方位的初步研究 本章節(jié)主要開展了在功能化的金膠表面組裝RC分子并控制有利蛋白方位的相關(guān)初步研究工作。通過在合成的金膠納米粒子上引入特定的雙功能試劑及組裝上帶有特定官能團(tuán)的分子后，可以實現(xiàn)光敏蛋白在金膠表

14、面采取不同的方位進(jìn)行排列(原初電子給體P／電子受體泛醌(QA)朝著金膠的方向)。紫外一可見吸收光譜、X射線光電子能譜、傅立葉紅外光譜，以及透射電子顯微鏡的相關(guān)結(jié)構(gòu)表征結(jié)果反映了功能化金膠的成功制備；近紅外一可見吸收光譜和圓二色譜的相關(guān)檢測結(jié)果則進(jìn)一步證實了RC在功能化金膠表面組裝的有效實現(xiàn)；RC／金膠自組裝仿生體系的熒光和飛秒泵浦一探測實驗結(jié)果揭示了修飾在不同功能化金膠表面的光敏蛋白在激發(fā)能弛豫過程和方式上的大相徑庭，以及RC在受激后向

15、金膠粒子明顯的電子注入現(xiàn)象，暗示了控制RC在金膠表面有利方位的成功實現(xiàn)。利用金膠納米顆粒優(yōu)良的電子存儲和穿梭特性結(jié)合有利于電荷分離和電子注入的蛋白方位的控制提供了又一設(shè)計和開發(fā)高效生物光電器件的有效途徑。 六、電化學(xué)誘導(dǎo)的紫細(xì)菌天線色素復(fù)合物(LH2)的超快激子能弛豫研究 本章主要報道了發(fā)展現(xiàn)場飛秒泵浦一探測／電化學(xué)聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用于電化學(xué)氧化引起的LH2快速能量陷獲的相關(guān)研究。采用近紅外一可見／熒光光譜電化學(xué)方法結(jié)合超快泵

16、浦—探測光譜電化學(xué)技術(shù)實時在線地考察了LH2內(nèi)B800(細(xì)菌葉綠素單體)和B850(細(xì)菌葉綠素二聚體)不同的電化學(xué)氧化過程；色素一色素、色素一蛋白之間伴隨氧化而發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化；以及電化學(xué)氧化對B800和B850參與的超快激發(fā)能弛豫的影響。結(jié)果表明：1、B800和B850環(huán)中的葉綠素分子具有幾乎相同的氧化還原中點電位卻表現(xiàn)出完全不同的電化學(xué)氧化速率(B800快于B850)。2、伴隨葉綠素分子電化學(xué)氧化的進(jìn)行，激發(fā)B800觀察到B850自發(fā)