[发明专利]一种定向重组别藻蓝蛋白三聚体作为光学敏化材料的应用

说明书

技术领域

本发明属于生物技术，具体涉及一种定向重组别藻蓝蛋白三聚体作为光学敏化材料的应用。

背景技术

太阳能是最丰富的可持续的能源资源，地球的表面从太阳每年约获得4×10²⁴J的太阳能。自然界的光合作用是超过3.5亿年典型的太阳能应用。生物过程是规模最大的光子能量转换成吉布斯自由能的过程。光合生物在地球上包括绿色的植物，藻类，光合细菌和蓝藻。在所有生物光合作用复合物中，别藻蓝蛋白三聚体这一天线系统所捕获的光子用于维持跨膜反应中心的电荷分离。近来，基于大分子的染料敏化太阳能电池的研究和利用，尤其是基于叶绿素的人工光伏设备和超分子光合蛋白复合物的发现，促成了很多先进仿生太阳能光伏设备的开发。但是研究主要集中在利用细菌视紫红质（BR），光系统I（PSI），光系统II（PSII）和光捕获复合体（LHCII）创造直接转换太阳能的光伏设备。

别藻蓝蛋白是藻胆蛋白中结构较为简单的蛋白，由α和β亚基紧密结合构成异二聚体（通常称为单体），每个亚基只结合一个色基。三个单体通过非共价作用结合为三聚体（αβ）3。别藻蓝蛋白吸收约650～660nm的可见光，发射光约660～670nm的荧光。别藻蓝蛋白（APC）的三聚体组成藻胆体的核心，能高效的传递较低能量的光子（最大波长650nm）。在广泛可见光谱范围内以令人难以置信的效率，作为太阳能捕光天线，将捕获的太阳光能传输至光合反应中心。

X-射线晶体学研究已揭示了在0.29纳米分辨率下别藻蓝蛋白三聚体的结构细节。最近的研究表明，在别藻蓝蛋白三聚体中在430-440飞秒的时间尺度上，能量按照福斯特共振机制从三聚体中传递到反应中心叶绿素。2009年，刘少芳等首先装配高度可溶的自组装生物工程别藻蓝蛋白三聚体融合N-末端组氨酸（His标签）来自于Synechocystis sp.PCC6803基因组，并在大肠杆菌宿主中表达。通过荧光和吸收光谱法分析已经证明重组别藻蓝蛋白三聚体的结构，热稳定性和荧光特性的于天然三聚体相似。融合的His6-标签提供了一种简便的方法，易于大规模的从细胞裂解物中纯化重组的别藻蓝蛋白三聚体。同时也顺利完成了大规模发酵生产重组别藻蓝蛋白（APC）三聚体。

发明内容

本发明目的在于，提供一种定向重组别藻蓝蛋白三聚体作为光学敏化材料的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种重组别藻蓝蛋白三聚体作为光学敏化材料的应用。

通过重组别藻蓝蛋白三聚体溶液处理半导体电极或者金属电极，使电极表面由于重组别藻蓝蛋白三聚体溶液存在通过静电力吸附和氢键相互作用吸附形成定向或非定向的重组别藻蓝蛋白三聚体层，使吸附有重组别藻蓝蛋白三聚体层的电极在光照条件下完成太阳能到电能的转化。

所述重组别藻蓝蛋白三聚体溶液为0.001毫克/毫升—10毫克/毫升。

所述重组别藻蓝蛋白三聚体溶液中通过静电力吸附和氢键相互作用于电极表面形成定向吸附层的电极为孔径1纳米—1微米的多孔纳米结构或者线性晶体结构。

所述吸附有重组别藻蓝蛋白三聚体层的电极可作为太阳能电池或光学传感器的电极使用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.重组别藻蓝蛋白三聚体具有更快的电子转移速率，较高的量子效率，近红外区有较宽的吸收带，无毒并且有很好的稳定性。利用纳米尺度的光阳极能更好的收集和传输电子，并且可以使用模块化技术降低成本。具有较高的光伏特性。

2.本发明重组别藻蓝蛋白三聚体利用大肠杆菌生产重组光活性蛋白，规模化发酵生产，易于培养，生长快，可以大大缩短生产周期，易于纯化，生产过程可以节约能源并且生产效率高。得到的重组蛋白含有His-tag标记，通过离子螯合色谱一步纯化便可获得目的蛋白，且纯度较高。同时His-tag标记便于电极表面的定向组装。

3.本发明所选用的光敏材料除了模拟自然界中的光合作用以外，同时可以和现有的天然色素敏化染料混合共敏化，增大对太阳光吸收波长的范围和吸收效率。

4.本发明以定向重组别藻蓝蛋白三聚体作为敏化染料的生物大分子太阳能敏化电池。其生物大分子染料敏化太阳能电池具有成本低,制作工艺简单，无毒，环境友好。

附图说明

图1本发明制备以别藻蓝蛋白三聚体为敏化剂的太阳能电池示意图；

图2a为本发明以别藻蓝蛋白三聚体为敏化剂的光阳极表面蛋白吸附状态的激光共聚焦显微镜图；

图2b为本发明以别藻蓝蛋白三聚体为敏化剂的光阳极表面蛋白吸附状态的扫描电子显微镜图；