两种植物类囊体膜在纳米ZnO上的组装和光电性质

(中国石油大学 化学化工学院生物工程与技术中心,山东 青岛266555)

类囊体膜是进行光合作用原初光能转化的场所,包括四种重要的光合膜蛋白复合物：光系统(PS)I、PSII、细胞色素 b6/f和 ATP合酶复合物,在其中植物能够完成捕获光能并转化成化学能的过程[1]。利用光合膜蛋白进行电荷分离产生光电流的特性,研究者将分离的类囊体膜[2]、PSI[3-4]、PSII复合物[5]、细菌反应中心[6-7]等光合膜蛋白组装成光电器件,为制备新型生物太阳能电池奠定了基础,但这些光合膜蛋白器件的光电转化效率很低,且稳定性也有待提高。

LB(Langmuir-Blodgett)膜技术是获得有序排列的光合膜蛋白单分子层的重要手段,在单分子层上蛋白复合物高度有序的结构,保证了色素分子之间能够进行有效的能量传递,并有助于使复合物具有较高的光热稳定性[8]。何靳安等[9]将 R-藻红蛋白(R-PE)单分子膜通过 LB技术制备在 SnO2光学透明电极(OTE)上,组成的光电池能够产生光生电流,具有较好的光学稳定性。

石莼(Ulva lactuca)是一类常见的潮间带大型海洋绿藻,已有研究表明石莼对光和温度等环境变动具有较强的耐受性[10-11]。此外,本课题组的前期研究也表明,与菠菜相比石莼的类囊体膜蛋白具有更高的热稳定性。本研究尝试用LB膜技术分别将菠菜和海洋绿藻石莼的类囊体膜固定在纳米 ZnO上,组装成光电池,并且比较了其光电性质,以期为开发稳定性和效率更高的生物光电器件提供参考。

1 材料与方法

1.1 菠菜和石莼类囊体膜的制备

菠菜类囊体膜的分离方法按照 Berthold等[12]的方法加以改进。取新鲜菠菜叶片除去叶柄、叶脉,清洗干净,在 4℃下暗适应放置 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的缓冲液中用捣碎机捣碎叶片,并用纱布过滤,所得滤液于220g离心2 min;上清液于1 500g离心10 min;沉淀加入含20 mmol/L Tris-HCl (pH 7.8),5 mmol/L MgCl2·6H2O,15 mmol/L NaCl的缓冲液悬浮匀浆,200g离心2 min去沉淀;上清液 5 000g离心 15 min,沉淀用含 20 mmol/L MES pH 6.5,0.4 mol/L蔗糖,35 mmol/L NaCl的保存缓冲液悬浮匀浆,即为菠菜类囊体膜。

石莼采自青岛金沙滩,将新鲜叶片清洗干净并用蒸馏水洗两遍,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的缓冲液用捣碎机破碎,纱布过滤后所得滤液于220g离心2 min,上清液于10 000g离心10 min;沉淀用含10 mmol/L Tris-HCl(pH 7.8)的缓冲液悬浮匀浆,250g离心2 min去沉淀;上清液12 000g离心15 min,沉淀用含20 mmol/L MES pH 6.5,0.4 mol/L蔗糖,35 mmol/L NaCl的保存缓冲液悬浮匀浆,并注意将白色淀粉部分去除,所得为石莼类囊体膜。

1.2 SDS-PAGE分析

SDS-PAGE分析在 NuPAGE 4%～12% Bis-Tris Mini Gel预制胶(Invitrogen,USA)上进行。在样品中加入 NuPAGE LDS sample Buffer和 NuPAGE Reducing Agent(Invitrogen),70℃加热10 min,短暂离心后上样,每孔道上样20 μL,200 V恒电压电泳。凝胶用考马斯亮蓝R-250染色。

1.3 纳米ZnO的制备

把掺氟氧化锡(SnO2：F,FTO)导电玻璃(日本NSG株式会社)用超声清洗,在玻璃上滴加 1 mmol/L Zn(Ac)2·2H2O乙醇溶液后用N2吹干,反复5次,放入马弗炉中 350℃加热 20 min,再把处理好的 FTO玻璃放入含 25 mmol/L C6H12N4和 25 mmol/L Zn(NO3)2的反应液中在75℃恒温振荡器中反应9～12 h,即可在FTO导电玻璃上合成ZnO纳米线。

1.4 纳米ZnO的原子力显微镜和扫描电镜表征

用 Nanoscope IVa原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)(Veeco/Digital Instruments,santa Barbara,USA)和表征ZnO在FTO导电玻璃上的分布情况和均匀性。采用Veeco TESP型探针,操作频率为300～350 kHz,弹性常数为20～80 N/m。

用日立 S-4800冷场扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)观察ZnO在FTO导电玻璃表面上的生长情况,电压5 kV。

1.5 类囊体膜LB膜的制备

参照 Li等[13]的方法,以 0.5 mol/L磷酸缓冲液(pH 7.0)作为亚相,3% (V/V)乙醇-水溶液作为铺展剂,把60 μL浓度为1.5 mg/mL的类囊体膜缓慢均匀地滴入Micro Trough X LB膜仪(芬兰Kibron)槽内的亚相表面,待其在亚相表面扩散约 20 min后,压膜速率为1 mm/min,压缩单分子层膜至表面压为30 mN/m,保持30 min后,用垂直提拉法将膜转移到纳米ZnO表面。在纳米ZnO上沉积1、3、5层的LB膜分别用来进行荧光发射光谱和光电性能检测。

1.6 荧光发射光谱的检测

样品在室温下用 FluoroMax-4荧光光谱仪(Horiba Jobin Yvon)检测,436 nm激发,狭缝宽度2 nm,检测波长范围625～750 nm。

1.7 光电池的组装及光电性能的检测

将类囊体膜LB膜的纳米ZnO导电玻璃膜面朝上放在洁净的水平基面上,并把镀Pt的FTO玻璃(大连七色光太阳能科技开发有限公司)作为对电极放在上面,将具有开口的热封膜(膜厚 60 µm,内孔尺寸5 mm×5 mm)置于两电极之间,形成一定的空间,便于滴加电解质。把两个玻璃片微微错开,各自留出一定的导电部分,以利于电池测试。用两个长尾夹把电池夹住,再滴入少量电解质溶液,由于毛细管原理,电解质溶液很快在两个电极之间扩散均匀,封孔后即可进行光电性能检测。在本实验中参照Abe等[14]和Lemieux等[15]的方法,稍加改动,以pH 7.2的PBS缓冲液作为电池中的电极缓冲液。

光电性能的检测在美国颐光科技有限公司(Crown Tech)太阳能电池I-V特性测试系统IV Test Station 2000上进行,电压/电流控制和测量采用Keithley Model 2400 SourceMeter,在模拟太阳光(AM 1.5,100 mW/cm2)照射下测定组装电池的I-V特征曲线。得出开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pout,利用公式(1)和(2)计算电池的填充因子FF和光电转换效率η。

其中Vmax和Imax为最大输出功率时对应的电压和电流,Pin为入射光强。

2 结果与讨论

2.1 类囊体膜的提取和多肽组成

与高等植物菠菜相比,海洋绿藻石莼含多糖和淀粉较多,叶绿体较小,因此在类囊体膜的制备上略有不同,收集石莼类囊体膜时所需的离心速度较高,在匀浆时需要注意将白色沉淀去除。将提取的石莼和菠菜的类囊体膜进行 SDS-PAGE分析,结果如图1所示。石莼和菠菜类囊体膜的多肽组分相似,都包括PSI的组分PsaA/B和LHCI,以及PSII的组分即 PSII反应中心的 D1、D2蛋白和内周天线蛋白CP47、CP43和外周天线蛋白LHCII等。

图1 石莼和菠菜类囊体膜的SDS-PAGE分析Fig.1 SDS-PAGE of thylakoid membranes isolated from Ulva and spinach

2.2 纳米ZnO的制备和表征

纳米 ZnO是一种重要的光催化材料,具有成本低廉、生物相容性较好和电子传递特性较高的优点,因此在太阳能电池、传感器、光电器件等方面都有广泛应用。本实验采用水热合成法定向生长ZnO纳米线并用原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)对其进行了表征,结果如图2和图3所示。

ZnO晶核在FTO导电玻璃表面的分布情况和分布的粒径范围对纳米线的生长及性能有重要的影响。图2显示1 mmol/L的Zn(Ac)2乙醇溶液接种5次,晶核在 FTO导电玻璃表面分布比较均匀,粒径的分布情况也较好,一般在20～40 nm。图3显示纳米ZnO纤维在FTO玻璃上的生长情况,纳米ZnO纤维垂直 FTO向上生长,长度基本一致,形成了均匀分布的纳米簇,增加了与蛋白的接触面积,减少了电流传递时的电阻,从而可以提高光电池的光电转化效率。

2.3 类囊体膜在纳米ZnO上的吸附及光电性质

蛋白在固体界面上的吸附有很多形式,如果蛋白在固体界面自由吸附,往往会形成堆积或者分布不均匀,使得在光电实验过程中得到的结果不稳定。因此,尝试用LB膜技术将类囊体膜组装在纳米ZnO上,以得到有序排列的蛋白分子组装体系。

图2 原子力显微镜观察在FTO上的纳米ZnOFig.2 Atomic Force Microscope (AFM) analysis of Nano-ZnO on FTO

图3 纳米ZnO的扫描电子显微镜照片,45º侧视图Fig.3 Scanning electron microscope (SEM) images of the nano-ZnO,tilt 45º

图4 不同层石莼类囊体膜LB膜在纳米ZnO上的室温荧光发射光谱,436 nm激发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 不同层数类囊体膜LB膜组装成光电池的光电性能参数Tab.1 Photoelectric parameters of solar cells containing thylakoid membrane-LB film with different layers

图4是石莼类囊体膜LB膜在纳米ZnO上的室温荧光发射光谱,类囊体膜的最大荧光发射峰在683 nm,随着类囊体膜在ZnO上吸附层数的增加荧光发射强度增大。菠菜类囊体膜的荧光发射光谱表现出相同的趋势(结果未显示)。

已有报道可以将类囊体膜组装成不同的电化学器件,Abe等[14]通过静电吸附将螺旋藻的类囊体膜和聚离子复合聚乙烯亚胺(PEI)组装在金电极表面,具有光电化学活性,并且能够被除草剂抑制。将类囊体膜包埋在白蛋白-戊二醛交联介质中组装成光电池,与天然类囊体膜相比,对高温、高pH和高光强胁迫条件具有更强的耐受性[15]。本实验结果表明用 LB膜技术可以将类囊体膜组装到纳米 ZnO上,而且能够产生光电流。由不同层数的石莼和菠菜类囊体膜LB膜在ZnO上组装成光电池的I/V曲线如图5、图6所示,表1列出了各光电池的光电性能参数。类囊体膜 LB膜的层数显著影响了光电池的光电转化效率η值,随着层数的增加,光电转化效率大大增加。Abe等[14]的实验结果也表明,用静电吸附法得到的类囊体膜电化学器件产生的光电流随着吸附层数的增加而增加。

此外,海洋绿藻石莼类囊体膜组装的光电池光电转化效率明显高于菠菜类囊体膜。影响光电转化效率的因素有很多,类囊体膜的光合电子传递活性、类囊体膜与氧化锌的吸附作用、电子从膜到工作电极的扩散等都可能会影响光电流的产生速率。已有报道表明,绿藻石莼具有与高等植物不同的荧光诱导特性[16]、色素组成、类囊体膜垛叠方式以及荧光发射特性[17-19]。石莼的最大荧光量子产额高于其他藻类,其生长速度和产量也高于很多种属[20-21]。石莼类囊体膜组装的光电池光电转化效率较高与其类囊体膜的特性具有怎样的关系,该机理还有待进一步探讨。

图5 不同层数菠菜类囊体膜 LB膜组装成光电池的 I-V曲线Fig.5 Current-voltage curves of solar cells containing spinach thylakoid membrane-LB film with different layers

图6 不同层数石莼类囊体膜 LB膜组装成光电池的 I-V曲线Fig.6 Current-voltage curves of solar cells containing Ulva thylakoid membrane-LB film with different layers

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