[發明專利]一種定向重組別藻藍蛋白三聚體作為光學敏化材料的應用

有效

• 申請號: 201210330454.6
• 申請日: 2012-09-07
• 公開（公告）號: CN103680971A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 蒲洋;葛保勝;秦松;劉少芳;崔玉琳;王寅初;王萌
• 申請（專利權）人: 中國科學院煙臺海岸帶研究所;中國石油大學（華東）
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20;H01L51/46
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 周秀梅;李穎

技術領域

本發明屬于生物技術，具體涉及一種定向重組別藻藍蛋白三聚體作為光學敏化材料的應用。

背景技術

太陽能是最豐富的可持續的能源資源，地球的表面從太陽每年約獲得4×10²⁴J的太陽能。自然界的光合作用是超過3.5億年典型的太陽能應用。生物過程是規模最大的光子能量轉換成吉布斯自由能的過程。光合生物在地球上包括綠色的植物，藻類，光合細菌和藍藻。在所有生物光合作用復合物中，別藻藍蛋白三聚體這一天線系統所捕獲的光子用于維持跨膜反應中心的電荷分離。近來，基于大分子的染料敏化太陽能電池的研究和利用，尤其是基于葉綠素的人工光伏設備和超分子光合蛋白復合物的發現，促成了很多先進仿生太陽能光伏設備的開發。但是研究主要集中在利用細菌視紫紅質（BR），光系統I（PSI），光系統II（PSII）和光捕獲復合體（LHCII）創造直接轉換太陽能的光伏設備。

別藻藍蛋白是藻膽蛋白中結構較為簡單的蛋白，由α和β亞基緊密結合構成異二聚體（通常稱為單體），每個亞基只結合一個色基。三個單體通過非共價作用結合為三聚體（αβ）3。別藻藍蛋白吸收約650～660nm的可見光，發射光約660～670nm的熒光。別藻藍蛋白（APC）的三聚體組成藻膽體的核心，能高效的傳遞較低能量的光子（最大波長650nm）。在廣泛可見光譜范圍內以令人難以置信的效率，作為太陽能捕光天線，將捕獲的太陽光能傳輸至光合反應中心。

X-射線晶體學研究已揭示了在0.29納米分辨率下別藻藍蛋白三聚體的結構細節。最近的研究表明，在別藻藍蛋白三聚體中在430-440飛秒的時間尺度上，能量按照福斯特共振機制從三聚體中傳遞到反應中心葉綠素。2009年，劉少芳等首先裝配高度可溶的自組裝生物工程別藻藍蛋白三聚體融合N-末端組氨酸（His標簽）來自于Synechocystis?sp.PCC6803基因組，并在大腸桿菌宿主中表達。通過熒光和吸收光譜法分析已經證明重組別藻藍蛋白三聚體的結構，熱穩定性和熒光特性的于天然三聚體相似。融合的His6-標簽提供了一種簡便的方法，易于大規模的從細胞裂解物中純化重組的別藻藍蛋白三聚體。同時也順利完成了大規模發酵生產重組別藻藍蛋白（APC）三聚體。

發明內容

本發明目的在于，提供一種定向重組別藻藍蛋白三聚體作為光學敏化材料的應用。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種重組別藻藍蛋白三聚體作為光學敏化材料的應用。

通過重組別藻藍蛋白三聚體溶液處理半導體電極或者金屬電極，使電極表面由于重組別藻藍蛋白三聚體溶液存在通過靜電力吸附和氫鍵相互作用吸附形成定向或非定向的重組別藻藍蛋白三聚體層，使吸附有重組別藻藍蛋白三聚體層的電極在光照條件下完成太陽能到電能的轉化。

所述重組別藻藍蛋白三聚體溶液為0.001毫克/毫升—10毫克/毫升。

所述重組別藻藍蛋白三聚體溶液中通過靜電力吸附和氫鍵相互作用于電極表面形成定向吸附層的電極為孔徑1納米—1微米的多孔納米結構或者線性晶體結構。

所述吸附有重組別藻藍蛋白三聚體層的電極可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

1.重組別藻藍蛋白三聚體具有更快的電子轉移速率，較高的量子效率，近紅外區有較寬的吸收帶，無毒并且有很好的穩定性。利用納米尺度的光陽極能更好的收集和傳輸電子，并且可以使用模塊化技術降低成本。具有較高的光伏特性。

2.本發明重組別藻藍蛋白三聚體利用大腸桿菌生產重組光活性蛋白，規模化發酵生產，易于培養，生長快，可以大大縮短生產周期，易于純化，生產過程可以節約能源并且生產效率高。得到的重組蛋白含有His-tag標記，通過離子螯合色譜一步純化便可獲得目的蛋白，且純度較高。同時His-tag標記便于電極表面的定向組裝。

3.本發明所選用的光敏材料除了模擬自然界中的光合作用以外，同時可以和現有的天然色素敏化染料混合共敏化，增大對太陽光吸收波長的范圍和吸收效率。

4.本發明以定向重組別藻藍蛋白三聚體作為敏化染料的生物大分子太陽能敏化電池。其生物大分子染料敏化太陽能電池具有成本低,制作工藝簡單，無毒，環境友好。

附圖說明

圖1本發明制備以別藻藍蛋白三聚體為敏化劑的太陽能電池示意圖；

圖2a為本發明以別藻藍蛋白三聚體為敏化劑的光陽極表面蛋白吸附狀態的激光共聚焦顯微鏡圖；

圖2b為本發明以別藻藍蛋白三聚體為敏化劑的光陽極表面蛋白吸附狀態的掃描電子顯微鏡圖；