兩種植物類囊體膜在納米ZnO上的組裝和光電性質(zhì)

(中國石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院生物工程與技術(shù)中心,山東 青島266555)

類囊體膜是進(jìn)行光合作用原初光能轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所,包括四種重要的光合膜蛋白復(fù)合物：光系統(tǒng)(PS)I、PSII、細(xì)胞色素 b6/f和 ATP合酶復(fù)合物,在其中植物能夠完成捕獲光能并轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過程[1]。利用光合膜蛋白進(jìn)行電荷分離產(chǎn)生光電流的特性,研究者將分離的類囊體膜[2]、PSI[3-4]、PSII復(fù)合物[5]、細(xì)菌反應(yīng)中心[6-7]等光合膜蛋白組裝成光電器件,為制備新型生物太陽能電池奠定了基礎(chǔ),但這些光合膜蛋白器件的光電轉(zhuǎn)化效率很低,且穩(wěn)定性也有待提高。

LB(Langmuir-Blodgett)膜技術(shù)是獲得有序排列的光合膜蛋白單分子層的重要手段,在單分子層上蛋白復(fù)合物高度有序的結(jié)構(gòu),保證了色素分子之間能夠進(jìn)行有效的能量傳遞,并有助于使復(fù)合物具有較高的光熱穩(wěn)定性[8]。何靳安等[9]將 R-藻紅蛋白(R-PE)單分子膜通過 LB技術(shù)制備在 SnO2光學(xué)透明電極(OTE)上,組成的光電池能夠產(chǎn)生光生電流,具有較好的光學(xué)穩(wěn)定性。

石莼(Ulva lactuca)是一類常見的潮間帶大型海洋綠藻,已有研究表明石莼對(duì)光和溫度等環(huán)境變動(dòng)具有較強(qiáng)的耐受性[10-11]。此外,本課題組的前期研究也表明,與菠菜相比石莼的類囊體膜蛋白具有更高的熱穩(wěn)定性。本研究嘗試用LB膜技術(shù)分別將菠菜和海洋綠藻石莼的類囊體膜固定在納米 ZnO上,組裝成光電池,并且比較了其光電性質(zhì),以期為開發(fā)穩(wěn)定性和效率更高的生物光電器件提供參考。

1 材料與方法

1.1 菠菜和石莼類囊體膜的制備

菠菜類囊體膜的分離方法按照 Berthold等[12]的方法加以改進(jìn)。取新鮮菠菜葉片除去葉柄、葉脈,清洗干凈,在 4℃下暗適應(yīng)放置 5 h以上。在含 20 mmol/L Tris-HCl (pH 7.8),0.4 mol/L蔗糖,5 mmol/L NaCl,2 mmol/L EDTA的緩沖液中用搗碎機(jī)搗碎葉片,并用紗布過濾,所得濾液于220g離心2 min;上清液于1 500g離心10 min;沉淀加入含20 mmol/L Tris-HCl (pH 7.8),5 mmol/L MgCl2·6H2O,15 mmol/L NaCl的緩沖液懸浮勻漿,200g離心2 min去沉淀;上清液 5 000g離心 15 min,沉淀用含 20 mmol/L MES pH 6.5,0.4 mol/L蔗糖,35 mmol/L NaCl的保存緩沖液懸浮勻漿,即為菠菜類囊體膜。

石莼采自青島金沙灘,將新鮮葉片清洗干凈并用蒸餾水洗兩遍,加入含20 mmol/L Tris-HCl(pH 7.8),0.2 mol/L蔗糖,10 mmol/L NaCl,2 mmol/L EDTA的緩沖液用搗碎機(jī)破碎,紗布過濾后所得濾液于220g離心2 min,上清液于10 000g離心10 min;沉淀用含10 mmol/L Tris-HCl(pH 7.8)的緩沖液懸浮勻漿,250g離心2 min去沉淀;上清液12 000g離心15 min,沉淀用含20 mmol/L MES pH 6.5,0.4 mol/L蔗糖,35 mmol/L NaCl的保存緩沖液懸浮勻漿,并注意將白色淀粉部分去除,所得為石莼類囊體膜。

1.2 SDS-PAGE分析

SDS-PAGE分析在 NuPAGE 4%～12% Bis-Tris Mini Gel預(yù)制膠(Invitrogen,USA)上進(jìn)行。在樣品中加入 NuPAGE LDS sample Buffer和 NuPAGE Reducing Agent(Invitrogen),70℃加熱10 min,短暫離心后上樣,每孔道上樣20 μL,200 V恒電壓電泳。凝膠用考馬斯亮藍(lán)R-250染色。

1.3 納米ZnO的制備

把摻氟氧化錫(SnO2：F,FTO)導(dǎo)電玻璃(日本NSG株式會(huì)社)用超聲清洗,在玻璃上滴加 1 mmol/L Zn(Ac)2·2H2O乙醇溶液后用N2吹干,反復(fù)5次,放入馬弗爐中 350℃加熱 20 min,再把處理好的 FTO玻璃放入含 25 mmol/L C6H12N4和 25 mmol/L Zn(NO3)2的反應(yīng)液中在75℃恒溫振蕩器中反應(yīng)9～12 h,即可在FTO導(dǎo)電玻璃上合成ZnO納米線。

1.4 納米ZnO的原子力顯微鏡和掃描電鏡表征

用 Nanoscope IVa原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)(Veeco/Digital Instruments,santa Barbara,USA)和表征ZnO在FTO導(dǎo)電玻璃上的分布情況和均勻性。采用Veeco TESP型探針,操作頻率為300～350 kHz,彈性常數(shù)為20～80 N/m。

用日立 S-4800冷場(chǎng)掃描電鏡(Scanning electron microscope,SEM)觀察ZnO在FTO導(dǎo)電玻璃表面上的生長情況,電壓5 kV。

1.5 類囊體膜LB膜的制備

參照 Li等[13]的方法,以 0.5 mol/L磷酸緩沖液(pH 7.0)作為亞相,3% (V/V)乙醇-水溶液作為鋪展劑,把60 μL濃度為1.5 mg/mL的類囊體膜緩慢均勻地滴入Micro Trough X LB膜儀(芬蘭Kibron)槽內(nèi)的亞相表面,待其在亞相表面擴(kuò)散約 20 min后,壓膜速率為1 mm/min,壓縮單分子層膜至表面壓為30 mN/m,保持30 min后,用垂直提拉法將膜轉(zhuǎn)移到納米ZnO表面。在納米ZnO上沉積1、3、5層的LB膜分別用來進(jìn)行熒光發(fā)射光譜和光電性能檢測(cè)。

1.6 熒光發(fā)射光譜的檢測(cè)

樣品在室溫下用 FluoroMax-4熒光光譜儀(Horiba Jobin Yvon)檢測(cè),436 nm激發(fā),狹縫寬度2 nm,檢測(cè)波長范圍625～750 nm。

1.7 光電池的組裝及光電性能的檢測(cè)

將類囊體膜LB膜的納米ZnO導(dǎo)電玻璃膜面朝上放在潔凈的水平基面上,并把鍍Pt的FTO玻璃(大連七色光太陽能科技開發(fā)有限公司)作為對(duì)電極放在上面,將具有開口的熱封膜(膜厚 60 μm,內(nèi)孔尺寸5 mm×5 mm)置于兩電極之間,形成一定的空間,便于滴加電解質(zhì)。把兩個(gè)玻璃片微微錯(cuò)開,各自留出一定的導(dǎo)電部分,以利于電池測(cè)試。用兩個(gè)長尾夾把電池夾住,再滴入少量電解質(zhì)溶液,由于毛細(xì)管原理,電解質(zhì)溶液很快在兩個(gè)電極之間擴(kuò)散均勻,封孔后即可進(jìn)行光電性能檢測(cè)。在本實(shí)驗(yàn)中參照Abe等[14]和Lemieux等[15]的方法,稍加改動(dòng),以pH 7.2的PBS緩沖液作為電池中的電極緩沖液。

光電性能的檢測(cè)在美國頤光科技有限公司(Crown Tech)太陽能電池I-V特性測(cè)試系統(tǒng)IV Test Station 2000上進(jìn)行,電壓/電流控制和測(cè)量采用Keithley Model 2400 SourceMeter,在模擬太陽光(AM 1.5,100 mW/cm2)照射下測(cè)定組裝電池的I-V特征曲線。得出開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pout,利用公式(1)和(2)計(jì)算電池的填充因子FF和光電轉(zhuǎn)換效率η。

其中Vmax和Imax為最大輸出功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓和電流,Pin為入射光強(qiáng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 類囊體膜的提取和多肽組成

與高等植物菠菜相比,海洋綠藻石莼含多糖和淀粉較多,葉綠體較小,因此在類囊體膜的制備上略有不同,收集石莼類囊體膜時(shí)所需的離心速度較高,在勻漿時(shí)需要注意將白色沉淀去除。將提取的石莼和菠菜的類囊體膜進(jìn)行 SDS-PAGE分析,結(jié)果如圖1所示。石莼和菠菜類囊體膜的多肽組分相似,都包括PSI的組分PsaA/B和LHCI,以及PSII的組分即 PSII反應(yīng)中心的 D1、D2蛋白和內(nèi)周天線蛋白CP47、CP43和外周天線蛋白LHCII等。

圖1 石莼和菠菜類囊體膜的SDS-PAGE分析Fig.1 SDS-PAGE of thylakoid membranes isolated from Ulva and spinach

2.2 納米ZnO的制備和表征

納米 ZnO是一種重要的光催化材料,具有成本低廉、生物相容性較好和電子傳遞特性較高的優(yōu)點(diǎn),因此在太陽能電池、傳感器、光電器件等方面都有廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)采用水熱合成法定向生長ZnO納米線并用原子力顯微鏡(AFM)和掃描電鏡(SEM)對(duì)其進(jìn)行了表征,結(jié)果如圖2和圖3所示。

ZnO晶核在FTO導(dǎo)電玻璃表面的分布情況和分布的粒徑范圍對(duì)納米線的生長及性能有重要的影響。圖2顯示1 mmol/L的Zn(Ac)2乙醇溶液接種5次,晶核在 FTO導(dǎo)電玻璃表面分布比較均勻,粒徑的分布情況也較好,一般在20～40 nm。圖3顯示納米ZnO纖維在FTO玻璃上的生長情況,納米ZnO纖維垂直 FTO向上生長,長度基本一致,形成了均勻分布的納米簇,增加了與蛋白的接觸面積,減少了電流傳遞時(shí)的電阻,從而可以提高光電池的光電轉(zhuǎn)化效率。

2.3 類囊體膜在納米ZnO上的吸附及光電性質(zhì)

蛋白在固體界面上的吸附有很多形式,如果蛋白在固體界面自由吸附,往往會(huì)形成堆積或者分布不均勻,使得在光電實(shí)驗(yàn)過程中得到的結(jié)果不穩(wěn)定。因此,嘗試用LB膜技術(shù)將類囊體膜組裝在納米ZnO上,以得到有序排列的蛋白分子組裝體系。

圖2 原子力顯微鏡觀察在FTO上的納米ZnOFig.2 Atomic Force Microscope (AFM) analysis of Nano-ZnO on FTO

圖3 納米ZnO的掃描電子顯微鏡照片,45o側(cè)視圖Fig.3 Scanning electron microscope (SEM) images of the nano-ZnO,tilt 45o

圖4 不同層石莼類囊體膜LB膜在納米ZnO上的室溫?zé)晒獍l(fā)射光譜,436 nm激發(fā)Fig.4 Fluorescence emission spectra of Ulva thylakoid membrane-LB film with different layers deposited on Nano-ZnO at room temperature,436 nm excitation

表1 不同層數(shù)類囊體膜LB膜組裝成光電池的光電性能參數(shù)Tab.1 Photoelectric parameters of solar cells containing thylakoid membrane-LB film with different layers

圖4是石莼類囊體膜LB膜在納米ZnO上的室溫?zé)晒獍l(fā)射光譜,類囊體膜的最大熒光發(fā)射峰在683 nm,隨著類囊體膜在ZnO上吸附層數(shù)的增加熒光發(fā)射強(qiáng)度增大。菠菜類囊體膜的熒光發(fā)射光譜表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)(結(jié)果未顯示)。

已有報(bào)道可以將類囊體膜組裝成不同的電化學(xué)器件,Abe等[14]通過靜電吸附將螺旋藻的類囊體膜和聚離子復(fù)合聚乙烯亞胺(PEI)組裝在金電極表面,具有光電化學(xué)活性,并且能夠被除草劑抑制。將類囊體膜包埋在白蛋白-戊二醛交聯(lián)介質(zhì)中組裝成光電池,與天然類囊體膜相比,對(duì)高溫、高pH和高光強(qiáng)脅迫條件具有更強(qiáng)的耐受性[15]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用 LB膜技術(shù)可以將類囊體膜組裝到納米 ZnO上,而且能夠產(chǎn)生光電流。由不同層數(shù)的石莼和菠菜類囊體膜LB膜在ZnO上組裝成光電池的I/V曲線如圖5、圖6所示,表1列出了各光電池的光電性能參數(shù)。類囊體膜 LB膜的層數(shù)顯著影響了光電池的光電轉(zhuǎn)化效率η值,隨著層數(shù)的增加,光電轉(zhuǎn)化效率大大增加。Abe等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,用靜電吸附法得到的類囊體膜電化學(xué)器件產(chǎn)生的光電流隨著吸附層數(shù)的增加而增加。

此外,海洋綠藻石莼類囊體膜組裝的光電池光電轉(zhuǎn)化效率明顯高于菠菜類囊體膜。影響光電轉(zhuǎn)化效率的因素有很多,類囊體膜的光合電子傳遞活性、類囊體膜與氧化鋅的吸附作用、電子從膜到工作電極的擴(kuò)散等都可能會(huì)影響光電流的產(chǎn)生速率。已有報(bào)道表明,綠藻石莼具有與高等植物不同的熒光誘導(dǎo)特性[16]、色素組成、類囊體膜垛疊方式以及熒光發(fā)射特性[17-19]。石莼的最大熒光量子產(chǎn)額高于其他藻類,其生長速度和產(chǎn)量也高于很多種屬[20-21]。石莼類囊體膜組裝的光電池光電轉(zhuǎn)化效率較高與其類囊體膜的特性具有怎樣的關(guān)系,該機(jī)理還有待進(jìn)一步探討。

圖5 不同層數(shù)菠菜類囊體膜 LB膜組裝成光電池的 I-V曲線Fig.5 Current-voltage curves of solar cells containing spinach thylakoid membrane-LB film with different layers

圖6 不同層數(shù)石莼類囊體膜 LB膜組裝成光電池的 I-V曲線Fig.6 Current-voltage curves of solar cells containing Ulva thylakoid membrane-LB film with different layers

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