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石莼、菠菜類(lèi)囊體膜LB膜的制備及在納米ZnO上的組裝和光電性質(zhì)

來(lái)源:海洋科學(xué) 瀏覽 31 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-02

類(lèi)囊體膜是進(jìn)行光合作用原初光能轉化的場(chǎng)所,包括四種重要的光合膜蛋白復合物:光系統(PS)I、PSII、細胞色素b6/f和ATP合酶復合物,在其中植物能夠完成捕獲光能并轉化成化學(xué)能的過(guò)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(lèi)囊體膜[2]、PSI[3-4]、PSII復合物[5]、細菌反應中心[6-7]等光合膜蛋白組裝成光電器件,為制備新型生物太陽(yáng)能電池奠定了基礎,但這些光合膜蛋白器件的光電轉化效率很低,且穩定性也有待提高。


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合物高度有序的結構,保證了色素分子之間能夠進(jìn)行有效的能量傳遞,并有助于使復合物具有較高的光熱穩定性[8]。何靳安等[9]將R-藻紅蛋白(R-PE)單分子膜通過(guò)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)穩定性。


石莼(Ulva lactuca)是一類(lèi)常見(jiàn)的潮間帶大型海洋綠藻,已有研究表明石莼對光和溫度等環(huán)境變動(dòng)具有較強的耐受性[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(lèi)囊體膜蛋白具有更高的熱穩定性。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(lèi)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(kāi)發(fā)穩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(lèi)囊體膜的制備


菠菜類(lèi)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搗碎葉片,并用紗布過(guò)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(lèi)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的緩沖液用搗碎機破碎,紗布過(guò)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(lèi)囊體膜。


1.2 SDS-PAGE分析


SDS-PAGE分析在NuPAGE 4%~12%Bis-Tris Mini Gel預制膠(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20μL,200 V恒電壓電泳。凝膠用考馬斯亮藍R-250染色。


1.3納米ZnO的制備


把摻氟氧化錫(SnO2:F,FTO)導電玻璃(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的反應液中在75℃恒溫振蕩器中反應9~12 h,即可在FTO導電玻璃上合成ZnO納米線(xiàn)。


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,彈性常數為20~80 N/m。


用日立S-4800冷場(chǎng)掃描電鏡(Scanning electron microscope,SEM)觀(guān)察ZnO在FTO導電玻璃表面上的生長(cháng)情況,電壓5 kV。


1.5類(lèi)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60μL濃度為1.5 mg/mL的類(lèi)囊體膜緩慢均勻地滴入Micro Trough X LB膜分析儀(芬蘭Kibron)槽內的亞相表面,待其在亞相表面擴散約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(lái)進(jìn)行熒光發(fā)射光譜和光電性能檢測。


1.6熒光發(fā)射光譜的檢測


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


1.7光電池的組裝及光電性能的檢測


將類(lèi)囊體膜LB膜的納米ZnO導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(yáng)能科技開(kāi)發(fā)有限公司)作為對電極放在上面,將具有開(kāi)口的熱封膜(膜厚60μm,內孔尺寸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)玻璃片微微錯開(kāi),各自留出一定的導電部分,以利于電池測試。用兩個(gè)長(cháng)尾夾把電池夾住,再滴入少量電解質(zhì)溶液,由于毛細管原理,電解質(zhì)溶液很快在兩個(gè)電極之間擴散均勻,封孔后即可進(jìn)行光電性能檢測。在本實(shí)驗中參照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。


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

其中Vmax和Imax為最大輸出功率時(shí)對應的電壓和電流,Pin為入射光強。


2結果與討論


2.1類(lèi)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(lèi)囊體膜的制備上略有不同,收集石莼類(lèi)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(lèi)囊體膜進(jìn)行SDS-PAGE分析,結果如圖1所示。石莼和菠菜類(lèi)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反應中心的D1、D2蛋白和內周天線(xiàn)蛋白CP47、CP43和外周天線(xiàn)蛋白LHCII等。

圖1石莼和菠菜類(lèi)囊體膜的SDS-PAGE分析


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(yáng)能電池、傳感器、光電器件等方面都有廣泛應用。本實(shí)驗采用水熱合成法定向生長(cháng)ZnO納米線(xiàn)并用原子力顯微鏡(AFM)和掃描電鏡(SEM)對其進(jìn)行了表征,結果如圖2和圖3所示。


ZnO晶核在FTO導電玻璃表面的分布情況和分布的粒徑范圍對納米線(xiàn)的生長(cháng)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(cháng)情況,納米ZnO纖維垂直FTO向上生長(cháng),長(cháng)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化效率。


2.3類(lèi)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)驗過(guò)程中得到的結果不穩定。因此,嘗試用LB膜技術(shù)將類(lèi)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(guān)察在FTO上的納米ZnO

圖3納米ZnO的掃描電子顯微鏡照片,45o側視圖

圖4不同層石莼類(lèi)囊體膜LB膜在納米ZnO上的室溫熒光發(fā)射光譜,436 nm激發(fā)

表1不同層數類(lèi)囊體膜LB膜組裝成光電池的光電性能參數


圖4是石莼類(lèi)囊體膜LB膜在納米ZnO上的室溫熒光發(fā)射光譜,類(lèi)囊體膜的最大熒光發(fā)射峰在683 nm,隨著(zhù)類(lèi)囊體膜在ZnO上吸附層數的增加熒光發(fā)射強度增大。菠菜類(lèi)囊體膜的熒光發(fā)射光譜表現出相同的趨勢(結果未顯示)。


已有報道可以將類(lèi)囊體膜組裝成不同的電化學(xué)器件,Abe等[14]通過(guò)靜電吸附將螺旋藻的類(lèi)囊體膜和聚離子復合聚乙烯亞胺(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(lèi)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(lèi)囊體膜相比,對高溫、高pH和高光強脅迫條件具有更強的耐受性[15]。本實(shí)驗結果表明用LB膜技術(shù)可以將類(lèi)囊體膜組裝到納米ZnO上,而且能夠產(chǎn)生光電流。由不同層數的石莼和菠菜類(lèi)囊體膜LB膜在ZnO上組裝成光電池的I/V曲線(xiàn)如圖5、圖6所示,表1列出了各光電池的光電性能參數。類(lèi)囊體膜LB膜的層數顯著(zhù)影響了光電池的光電轉化效率η值,隨著(zhù)層數的增加,光電轉化效率大大增加。Abe等[14]的實(shí)驗結果也表明,用靜電吸附法得到的類(lèi)囊體膜電化學(xué)器件產(chǎn)生的光電流隨著(zhù)吸附層數的增加而增加。

圖5不同層數菠菜類(lèi)囊體膜LB膜組裝成光電池的I-V曲線(xiàn)

圖6不同層數石莼類(lèi)囊體膜LB膜組裝成光電池的I-V曲線(xiàn)


此外,海洋綠藻石莼類(lèi)囊體膜組裝的光電池光電轉化效率明顯高于菠菜類(lèi)囊體膜。影響光電轉化效率的因素有很多,類(lèi)囊體膜的光合電子傳遞活性、類(lèi)囊體膜與氧化鋅的吸附作用、電子從膜到工作電極的擴散等都可能會(huì )影響光電流的產(chǎn)生速率。已有報道表明,綠藻石莼具有與高等植物不同的熒光誘導特性[16]、色素組成、類(lèi)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(lèi),其生長(cháng)速度和產(chǎn)量也高于很多種屬[20-21]。石莼類(lèi)囊體膜組裝的光電池光電轉化效率較高與其類(lèi)囊體膜的特性具有怎樣的關(guān)系,該機理還有待進(jìn)一步探討。