基于金胶的紫细菌光合反应中心蛋白的光电化学研究

摘要

光合作用对光能转化为化学能的快速、高效以及潜在的应用前景使人们期望对其各种能量传递及电子转移机理获得更深层的认识。以利用太阳能为背景的光电化学转换，尤其是基于光合作用的太阳能仿生转换利用成为一个非常活跃的科学研究前沿。紫细菌光合反应中心(RC)由于结构简单、功能完备，已经成为人们研究光合作用机理的切入点。从20世纪90年代初起，纳米技术得到迅速发展，而大量的生物结构，从核酸、蛋白质、病毒到细胞器，其线度在1～100nm之间，纳米和生物的有机结合必然将碰撞出新的火花。金胶是最常见的金属纳米颗粒，金胶和生物分子之间良好的兼容性为它在材料科学和生物领域的广泛应用提供了基础。它能提供一种类似于氧化还原蛋白质自身所处的环境，使吸附在其表面的蛋白质保持它们的生物活性的同时，也能使金胶保持稳定。金胶粒子和生物分子的组合是可以为电子学和光学创造出新的材料，并在基因组学，蛋白质组学，生物医学，生物诊断学，生物分析有了广泛应用。同时，金胶对光生电子具有很好的储存、传递和穿梭的能力，这对于光敏蛋白的研究是非常有利的。 本文围绕控制蛋白在金胶表面的有利方位，促进蛋白向金胶基底的光致电子注入，以及揭示蛋白复杂、快速和有效的能量/电子传递过程等方面，并构建高效、新型的功能化RC纳米仿生膜开展了一系列创新性工作，具体包括以下三部分内容： 一、绪论 围绕论文的主题，本章节首先明确了课题研究的重要意义。之后，概括地阐述了有关RC结构和功能的背景信息。作为本章的核心内容，对RC光致电子/能量传递、基于RC的仿生膜构建以及RC研究方法和技术作了重点介绍，对相应的文献也进行了较全面的综述。最后简要归纳了论文的主要创新性。 二、金胶表面定向组装RC实现向基底超快的光致电子注入在本章中，我们首先合成了粒径均匀的纳米金胶粒子，并通过在其表面衍生化不同的双功能试剂实现了光敏蛋白RC在金胶基底上的方位控制，构建金胶-蛋白自组装仿生体系。紫外-可见吸收光谱、透射电子显微镜监测了金胶的制备和衍生化过程中光学吸收和颗粒大小的相应变化，X射线光电子能谱、傅立叶红外光谱的表征结果证实了双功能试剂在金胶上的成功组装。近红外-可见吸收光谱和圆二色谱的表征结果显示了RC在功能化金胶表面有效组装和活性保持。金胶一蛋白自组装体系的荧光和飞秒泵浦一探测实验结果揭示了修饰在不同双功能试剂衍生化的金胶表面的RC激发能弛豫方式有明显差异，但都存在向金胶粒子明显的电子注入现象，这为构建基于RC和纳米金胶的仿生膜光电器件奠定了理论基础。 三、基于金胶和RC的仿生膜光电极的构建在这一章节中，我们首先用巯基硅烷MPTMS衍生ITO电极，在电极表面覆盖一层-SH基团，然后用自组装法吸附金胶形成纳米金胶微电极阵列。用两种不同的双功能试剂把RC固定在基底电极上以控制RC在电极表面的方位和取向，比较仿生膜光电极之间的光电响应差异，并结合第二章的实验结果加以解释。为了改善仿生膜光电极的性能，对基底电极进一步衍生化。用Au<'3+>/NH<,2>OH原位还原的方法在小颗粒金胶表面沉积金，增大金胶的颗粒，增加电极表面的活性面积。用原子力显微镜、紫外-可见吸收光谱和循环伏安法对衍生化电极的形貌和氧化还原活性等进行表征。以衍生化电极为基底电极的仿生膜光电极的光电转换效率有明显改进，这是由于金胶在ITO电极表面覆盖度增大后用于吸附生物分子的活性位点增多，同时大粒径的金胶相比于小粒径的金胶对于光生电子具有更好的储存和穿梭的能力，这为设计组装基于金胶的生物光电器件提供了一个有效途径。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1、前言

1.2、紫细菌(Rb.Sphaeroides)光合作用体系

1.3、紫细菌(Rb.Sphaeroides)光合作反应中心的结构及其功能

1.3.1、光合反应中心RC(Rb.Sphaeroides)的晶体结构

1.3.2、RC(Rb.Sphaeroides)内的电子传递和能量传递过程

1.4、RC功能性纳米仿生膜的构建及电子传递的研究方法

1.4.1、 RC功能性纳米仿生膜的构建

1.4.2、RC电子传递的研究方法和技术

1.5、纳米生物技术带来的启示

1.6本论文的目的和意义

参考文献

第二章功能化金胶表面定向组装RC实现向基底超快的光致电子注入

2.1、前言

2.2、实验部分

2.2.1、试剂、材料与仪器

2.2.2、RS601 RC的分离纯化

2.2.3、功能化金胶的合成及结构表征

2.2.4、RC-金胶自组装仿生体系的构建

2.2.5、RC-金胶自组装仿生体系中RC结构的表征

2.3、结果和讨论

2.3.1、功能化金胶的结构表征

2.3.2、RC-金胶自组装仿生体系内RC结构的表征结果探讨

2.3.3、金胶自组装仿生体系内RC的激发能弛豫研究

本章小结

参考文献

第三章基于金胶和反应中心蛋白RC的仿生膜光电极

3.1、前言

3.2、实验部分

3.2.1、试剂、材料与仪器

3.2.2、ITO电极的单层金胶膜修饰及仿生膜光电极的构建

3.2.3、电极表面蛋白方位不同时仿生膜光电极的光电化学研究

3.2.4、单层金胶膜修饰的ITO电极进一步衍生化及表征

3.2.5、基底电极衍生化后仿生膜光电极的光电化学研究

3.3、结果和讨论

3.3.1、单层金胶膜修饰电极的的表征及仿生膜光电极的光电化学响应

3.3.2、单层金胶膜修饰的ITO电极进一步衍生化及表征结果

3.3.3、基底电极衍生化后仿生膜光电极的光电化学响应

本章小结

参考文献

下一步工作设想

论文小结

附录

致谢