生物太陽能電池的開發(fā)

黃超 張博文 汪中兵

摘要：文章介紹了開發(fā)生物太陽能電池的兩項關(guān)鍵技術(shù)，即PSI的分離純化和PSI的熱穩(wěn)定性。文章采用蔗糖密度梯度離心的方法對鈍頂螺旋藻光合膜蛋白PSI進行分離純化，并對其光譜學性質(zhì)、熱穩(wěn)定性及光合放氧活性進行分析表征。結(jié)果表明，采用該方法，可以成功分離出4條色素蛋白質(zhì)復合體條帶，其中最下層條帶為完整的PSI三聚體，其光合放氧活性達到420μmol/mg.h。通過使用短肽表面活性劑15K2，成功地提高了PSI的熱穩(wěn)定性，使PSI的變性溫度由48.2℃提高到52.4℃，半衰期也大幅度地提高。文章為藻類PSI基納米捕光器件的開發(fā)提供了重要的方法和物質(zhì)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：生物太陽能電池；PSI；膜蛋白；熱穩(wěn)定性

目前，化石能源日漸枯竭，太陽能的利用被認為是解決能源危機的根本途徑。本研究以近來開發(fā)的短肽表面活性劑成功地提高了PSI的熱穩(wěn)定性，為新型短肽表面活性劑的開發(fā)提供參考，并為電池的制作奠定基礎(chǔ)。

1試驗過程

1.1材料預處理

經(jīng)光照培養(yǎng)、離心分離后，得鈍頂螺旋藻；將增溶后的類囊體膜鋪在蔗糖密度梯度的最上層，提純PSI。然后測定不同增溶比下各條帶的Chla含量，通過考馬斯亮藍R250染色，采用SDS-PAGE電泳對樣品進行分析，考察其多肽組成；將純化的PSI溶于緩沖溶液，測定在光照下溶液中的0₂；通過HANSATECH放氧系統(tǒng)檢測其放氧活性。

選擇幾種具有較好膜蛋白穩(wěn)定性的短肽表面活性劑（即Ac-A₆K-NH₂，Ac-V₆K₂-NH₂，Ac-V₆D₂-NH₂，Ac-A₆D-COOH），將其溶在Milli-Q水中，配成0.1 mol/L的母液，過濾后備用。

1.2探究短肽及其濃度對PSI熱穩(wěn)定性的影響

將上述母液溶于緩沖溶液中，超聲分散，將分裝融化的PSI溶于上述溶液中，使溶液達到動態(tài)平衡。采用圓二色光譜儀，測定短肽對PSI熱穩(wěn)定性的影響。

配制短肽的濃度分別為：0.35，0.45，0.55，0.65，0 75（mmol/L）樣品溶液3 mL，采用圓二色光譜儀，恒溫48.2℃，每5 min掃描一次，掃描范圍625～745 nm，掃描速率0.5 nm/s，檢測總時長120 min。

2結(jié)果與討論

2.1增溶條件的優(yōu)化

經(jīng)增溶后的類囊體膜分離后得到自上而下的a，b，c，d 4條帶，分析c，d帶的Chla含量（見圖1）。可知，增溶比不斷增大，d帶的Chla含量先增大再減小，而c帶稍微有點上升，增溶比在22.5：1時，能得到最大的PSI。

2.2光合放氧活性的測定

試驗測得PSI的光合放氧活性為：Chla耗氧量為420μmol/mg.h，是未分離活性的2倍左右，說明分離得到的PSI具有較高的光合活性。

3結(jié)語

光合作用可以高效轉(zhuǎn)化太陽能為電勢能和化學能，通過光合膜蛋白來制作新型生物太陽能電池具有重大發(fā)展?jié)摿?。本文通過超速離心分離成功從鈍頂螺旋藻中分離出PSI，并發(fā)現(xiàn)當增溶比為30時，可提取最大量的PSI。通過電泳分析和光學活性檢測，可證明得到了純度和活性都非常高的PSI，為PSI穩(wěn)定性的進一步研究和基于PSI的生物太陽能電池開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。

本研究還考察了不同短肽表面活性劑中對PSI的熱穩(wěn)定性的影響，陽離子型的15K2表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性效果，可以使PSI的Tm值由48.2℃提高到51.5℃，具有明顯的濃度效應。