生物太阳能电池的开发

黄超 张博文 汪中兵

摘要：文章介绍了开发生物太阳能电池的两项关键技术，即PSI的分离纯化和PSI的热稳定性。文章采用蔗糖密度梯度离心的方法对钝顶螺旋藻光合膜蛋白PSI进行分离纯化，并对其光谱学性质、热稳定性及光合放氧活性进行分析表征。结果表明，采用该方法，可以成功分离出4条色素蛋白质复合体条带，其中最下层条带为完整的PSI三聚体，其光合放氧活性达到420μmol/mg.h。通过使用短肽表面活性剂15K2，成功地提高了PSI的热稳定性，使PSI的变性温度由48.2℃提高到52.4℃，半衰期也大幅度地提高。文章为藻类PSI基纳米捕光器件的开发提供了重要的方法和物质基础。

关键词：生物太阳能电池；PSI；膜蛋白；热稳定性

目前，化石能源日渐枯竭，太阳能的利用被认为是解决能源危机的根本途径。本研究以近来开发的短肽表面活性剂成功地提高了PSI的热稳定性，为新型短肽表面活性剂的开发提供参考，并为电池的制作奠定基础。

1试验过程

1.1材料预处理

经光照培养、离心分离后，得钝顶螺旋藻；将增溶后的类囊体膜铺在蔗糖密度梯度的最上层，提纯PSI。然后测定不同增溶比下各条带的Chla含量，通过考马斯亮蓝R250染色，采用SDS-PAGE电泳对样品进行分析，考察其多肽组成；将纯化的PSI溶于缓冲溶液，测定在光照下溶液中的0₂；通過HANSATECH放氧系统检测其放氧活性。

选择几种具有较好膜蛋白稳定性的短肽表面活性剂（即Ac-A₆K-NH₂，Ac-V₆K₂-NH₂，Ac-V₆D₂-NH₂，Ac-A₆D-COOH），将其溶在Milli-Q水中，配成0.1 mol/L的母液，过滤后备用。

1.2探究短肽及其浓度对PSI热稳定性的影响

将上述母液溶于缓冲溶液中，超声分散，将分装融化的PSI溶于上述溶液中，使溶液达到动态平衡。采用圆二色光谱仪，测定短肽对PSI热稳定性的影响。

配制短肽的浓度分别为：0.35，0.45，0.55，0.65，0 75（mmol/L）样品溶液3 mL，采用圆二色光谱仪，恒温48.2℃，每5 min扫描一次，扫描范围625～745 nm，扫描速率0.5 nm/s，检测总时长120 min。

2结果与讨论

2.1增溶条件的优化

经增溶后的类囊体膜分离后得到自上而下的a，b，c，d 4条带，分析c，d带的Chla含量（见图1）。可知，增溶比不断增大，d带的Chla含量先增大再减小，而c带稍微有点上升，增溶比在22.5：1时，能得到最大的PSI。

2.2光合放氧活性的测定

试验测得PSI的光合放氧活性为：Chla耗氧量为420μmol/mg.h，是未分离活性的2倍左右，说明分离得到的PSI具有较高的光合活性。

3结语

光合作用可以高效转化太阳能为电势能和化学能，通过光合膜蛋白来制作新型生物太阳能电池具有重大发展潜力。本文通过超速离心分离成功从钝顶螺旋藻中分离出PSI，并发现当增溶比为30时，可提取最大量的PSI。通过电泳分析和光学活性检测，可证明得到了纯度和活性都非常高的PSI，为PSI稳定性的进一步研究和基于PSI的生物太阳能电池开发奠定了重要基础。

本研究还考察了不同短肽表面活性剂中对PSI的热稳定性的影响，阳离子型的15K2表现出较好的稳定性效果，可以使PSI的Tm值由48.2℃提高到51.5℃，具有明显的浓度效应。