專利名稱：細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜光電變換器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電轉(zhuǎn)換器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到采用生物膜將光轉(zhuǎn)換成電信號。
光是信息和能量的載體，如何高效地將光信息和光能轉(zhuǎn)換為電信號和電化學(xué)能與人類的生活密切相關(guān)。目前廣泛使用的光電轉(zhuǎn)換功能材料是半導(dǎo)體，如硅、鍺、砷化鎵等，但光能轉(zhuǎn)換效率不高。而生物光敏色素具有很高的光能轉(zhuǎn)換效率。七十年代初，德國科學(xué)家Oesterhelt和美國科學(xué)家Stoeckenius在研究一種稱為嗜鹽菌(Halobacterium Halobium)的微生物時，發(fā)現(xiàn)了一種新的光敏色素蛋白質(zhì)，由于它在結(jié)構(gòu)上與視紫紅質(zhì)(rhodopsin)非常相似，因而被取名為細(xì)菌視紫紅質(zhì)(bacteriorhodopsin)。細(xì)菌視紫紅質(zhì)由248個氨基酸和一個生色團視黃醛構(gòu)成，分子量26000。光照會誘發(fā)生色團快速異構(gòu)化，進(jìn)而引起蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的一系列變化，最終使一個質(zhì)子從分子的一端運送到另一端，完成所謂“光驅(qū)動質(zhì)子泵”的功能，將光能轉(zhuǎn)換為電化學(xué)能，其光能轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到17％。由于細(xì)菌視紫紅質(zhì)在生物體外很穩(wěn)定，如耐高溫、耐酸堿、不需要特殊保存可以存活數(shù)年、加上它易于大量培養(yǎng)提取、因而是目前找到的最適合于人工利用的生物色素光敏蛋白質(zhì)之一，將其作為一種新的光敏材料，其主要優(yōu)點是量子轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)使用壽命長，功能單元是單個分子，將可構(gòu)建為分子電子器件。利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)薄膜進(jìn)行光電變換的研究國內(nèi)外都有報道，但目前大多數(shù)都局限于對細(xì)菌視紫紅質(zhì)的光驅(qū)動質(zhì)子泵功能，超快光電響應(yīng)，微分響應(yīng)特性的基礎(chǔ)研究，沒有形成對細(xì)菌視紫紅質(zhì)作為一種新的光電功能材料的系統(tǒng)研究。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、光電轉(zhuǎn)換率高的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜光電變換器。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜光電變換器的制備方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的解決方案是它包括用有機或無機透明材料制成板狀體的一表面鍍有導(dǎo)電層，可作為載體的導(dǎo)電基底。它包括設(shè)置在導(dǎo)電基底的導(dǎo)電層上，可將光轉(zhuǎn)換為電信號的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜。它包括可將細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜的電信號輸出的對電極。它還包括設(shè)置在細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜與對電極之間的電解質(zhì)。
本發(fā)明的的導(dǎo)電層為氧化銦錫或二氧化錫或金或鉑，鍍膜層的厚度為30～300nm。本發(fā)明的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜的厚度為2μm～10μm。本發(fā)明的對電極所用的材料可以與導(dǎo)電基底的材料相同或不相同。本發(fā)明的電解質(zhì)為液態(tài)電解質(zhì)或固態(tài)電解質(zhì)。
本發(fā)明的液態(tài)電解質(zhì)為中性可溶于水的無機鹽。本發(fā)明的固態(tài)電解質(zhì)為有機電解質(zhì)。
本發(fā)明的有機電解質(zhì)為摻離子載體的瓊脂糖膠或凝膠或明膠或聚乙烯醇。
本發(fā)明的制備方法為(1)導(dǎo)電基底制作將有機或無機透明材料制成的板狀體分別用洗滌劑和水用超聲波清洗機清洗，去除該板狀體表面的污物，采用離子濺射法或真空鍍膜法在板狀體的一面鍍導(dǎo)電層，鍍膜層的厚度為30～300nm，面電阻<100Ω/□。
(2)細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜制作導(dǎo)電基底處理將已制作的導(dǎo)電基底按所要求的尺寸切割成小塊，先用洗滌劑和水清洗干凈，放入氫氧化鉀的甲醇飽和溶液中浸泡8～12小時，取出后依次用丙酮，乙醇及二次蒸餾水在超聲波清洗機中超聲清洗，浸泡在異丙酮中備用。
細(xì)菌視紫紅質(zhì)制備采用常規(guī)方法從嗜鹽菌品系R1M1中提取細(xì)菌視紫紅質(zhì)。
采用電泳沉積法制備細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜取一定量濃度為20～100μmol/L的細(xì)菌視紫紅質(zhì)水懸浮液倒入電泳槽中，電泳槽有兩個電極，其中陰極固‖定不變‖，導(dǎo)電基底|為陽極|。在兩|電極|上施加一個恒定的直流電壓，細(xì)菌視紫紅質(zhì)在電場的作用下，電偶極子轉(zhuǎn)動并朝陽極方向運動，形成一個電流。電泳5～30分鐘，細(xì)菌視紫紅質(zhì)在陽極表面沉積，電流值明顯減小，切斷電源，取出導(dǎo)電基底，在導(dǎo)電基底的鍍膜層表面上鍍上了一層紫色的薄膜。放在空氣中自然涼干，就得到了分子定向排列的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜。
(3)電解質(zhì)制作用膠將聚四氟乙烯隔離圓環(huán)固定在導(dǎo)電基底上的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜上，把液態(tài)或固態(tài)濃度為0.1～2mol/L、PH值為5～10的電解質(zhì)裝入聚四氟乙烯隔離圓環(huán)內(nèi)。
(4)成品制作對電極用膠粘接在聚四氟乙烯隔離圓環(huán)的另一面，將電解質(zhì)密封，制成本發(fā)明產(chǎn)品。
(5)檢驗包裝按本發(fā)明產(chǎn)品的技術(shù)條件進(jìn)行質(zhì)量檢驗，合格后，包裝入庫。
本發(fā)明是用從自然界中選擇出來的細(xì)菌視紫紅質(zhì)制作成分子定向排列的生物膜，用作為光電變換器的光電轉(zhuǎn)換材料，光電轉(zhuǎn)換率高達(dá)17％，可作為一種生物分子電子器件。本發(fā)明的制備方法具有制備工藝簡單、操作簡便、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明第一個實施例細(xì)菌紫紅質(zhì)生物膜光電變換器對變化光強的微分響應(yīng)信號曲線。
圖3是本發(fā)明第一個實施例細(xì)菌紫紅質(zhì)生物膜光電變換器對10ns激光脈沖的響應(yīng)波形。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于這些在
圖1中，在K9玻璃的一面鍍氧化銦錫導(dǎo)電層制成導(dǎo)電基底1，氧化銦錫導(dǎo)電層的厚度為50nm。本實施例的K9玻璃也可選用有機玻璃，氧化銦錫導(dǎo)電層也可以選用二氧化錫或金或鉑導(dǎo)電層，厚度與氧化銦錫相同。在導(dǎo)電基底1的導(dǎo)電層上鍍細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜，細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2的厚度為5μm。本實施例的對電極4采用紫銅板，也可采用其它金屬板或與本發(fā)明導(dǎo)電基底1相同的材料作為對電極4。本實施例的電解質(zhì)3采用1mol/L KCl溶液配制成的瓊脂糖膠，瓊脂糖膠的濃度為0.6％，PH值為7，將其裝入到聚四氟乙烯隔離圓環(huán)內(nèi)，聚四氟乙烯隔離圓環(huán)的一面與鍍有細(xì)菌紫紅質(zhì)生物膜2的導(dǎo)電基底1的一面用110強力膠粘接、另一面與紫銅板對電極用110強力膠粘接。本實施例的電解質(zhì)也可采用凝膠或明膠或聚乙烯醇。
(1)導(dǎo)電基底1制作取1.1mm厚的K9玻璃板分別用洗滌劑和水用超聲波清洗機清洗，去除玻璃板表面的污物，采用離子濺射法在K9玻璃板的一表面鍍氧化銦錫導(dǎo)電層，厚度為50nm，表面電阻為50Ω/□。
(2)細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2制作將已制作的導(dǎo)電基底1按所要求的尺寸切割成小塊，先用洗滌劑和水清洗干凈，放入氫氧化鉀的甲醇飽和溶液中浸泡10小時，取出后依次用丙酮、乙醇及二次蒸餾水在超聲波清洗機中超聲清洗，然后浸泡在異丙醇中備用。采用常規(guī)方法從嗜鹽菌品系R1M1中提取細(xì)菌視紫紅質(zhì)，制成細(xì)菌視紫紅質(zhì)水懸浮液，濃度為50μmol/L。采用電泳沉積法制備細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2。取一定量濃度為50μmol/L的細(xì)菌視紫紅質(zhì)水懸浮液倒入電泳槽內(nèi)，電泳槽內(nèi)的陰極不變，用導(dǎo)電基底1作為陽極，通10V直流電，細(xì)菌視紫紅質(zhì)水懸浮液中的細(xì)菌視紫紅質(zhì)在電場作用下朝陽極運動，形成電流，電泳10分鐘后，電流值明顯減小，切斷電源，取出導(dǎo)電基底，細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子定向排列沉積在導(dǎo)電基底上，放在空氣中自然涼干，制成細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2。
(3)電解質(zhì)3制作將聚四氟乙烯隔離圓環(huán)用110強力膠粘接在導(dǎo)基底1上的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2上。電解質(zhì)采用1mol/L KCl溶液配制成的瓊脂糖膠，其濃度為0.6％，PH值為7，用水浴法將其加熱到60℃，變成液體，灌注入聚四氟乙烯隔離圓環(huán)內(nèi)，冷卻，固化。
(4)成品制作將紫銅板對電極4用110強力膠粘接在聚四氟乙烯隔離圓環(huán)的另一面上，將電解質(zhì)密封，制成本發(fā)明產(chǎn)品。
(5)檢驗、包裝按本發(fā)明的技術(shù)條件進(jìn)行質(zhì)量檢驗，合格后，包裝入庫。
發(fā)明人給出了本發(fā)明第二個實施例。在本實施例中，導(dǎo)電鍍膜層的厚度為30nm，細(xì)菌視紫紅質(zhì)水懸浮液的濃度為20μmol/L，電泳30分鐘，細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2的厚度為2μm，電解質(zhì)的濃度為0.1mol/L、PH值為5其它零部件所用的材料以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與第一個實施例相同，其它制備方法與第一個實施例的制備方法相同。
發(fā)明人給出了本發(fā)明第三個實施例。在本實施例中，導(dǎo)電鍍膜層的厚度為300nm，細(xì)菌視紫紅質(zhì)水懸浮液的濃度為100μmol/L，電泳5分鐘，細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2的厚度為10μm，電解質(zhì)的濃度為2mol/L、PH值為10，其它零部件所用的材料以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與第一個實施例相同，其它制備方法與第一個實施例的制備方法相同。
發(fā)明人給出了本發(fā)明的第四個實施例。在本實施例中，導(dǎo)電鍍膜層的厚度為30nm，細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2的厚度為10μm，其它零部件所用的材料以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與第一個實施例相同，其制備方法與第一個實施例相同。
發(fā)明人給出了本發(fā)明的第五個實施例。在本實施例中，導(dǎo)電鍍膜層的厚度為300nm，細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2的厚度為2μm，其它零部件所用的材料以及零部件的聯(lián)接關(guān)系與第一個實施例相同，其制備方法與第一個實施例相同。
發(fā)明人給出了本發(fā)明的第六個實施例。在本實施例中，電解質(zhì)3采用KCl或NaCl水溶液。導(dǎo)基底1和細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2的制作方法與第一個實施例導(dǎo)電基底1和細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2的制作方法完全相同。細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2制作好后，將聚四氟乙烯隔離圓環(huán)的一面用110強力膠與導(dǎo)電基底1上的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜2鍍層粘接，然后將KCl或NaCl配制成水溶液，濃度為1.5mol/L，PH值為8，灌注入聚四氟乙烯隔離圓環(huán)內(nèi)，最后將紫銅片對電極用110強力膠粘接聚四氟乙烯隔離圓環(huán)的另一面，制成本發(fā)明產(chǎn)品。其它制備方法與第一個實施例相同。
發(fā)明人采用本發(fā)明第一個實施例及其制作方法制作的產(chǎn)品，用數(shù)字示波器測試其光電響應(yīng)特性。
(1)本發(fā)明對變化光強的微分響應(yīng)信號。試驗方法采用100W鹵鎢燈作為光源，經(jīng)透鏡會聚到細(xì)菌紫紅質(zhì)生物膜上，光強變化用斬波器調(diào)制，輸出信號直接接示波器，導(dǎo)電基底接地，對電極接正極，數(shù)字示波器為HP54505B，采用1MΩ AC耦合測量。
測試結(jié)果如圖2所示。由圖2曲線看出，本發(fā)明對不同的入射光表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特性，反映出細(xì)菌紫紅質(zhì)生物膜光電功能材料具有不同于半導(dǎo)體材料的特殊性能。由曲線看出，對于連續(xù)光，本發(fā)明產(chǎn)品輸出一個恒定的電信號，對光強增加的瞬間輸出一個正脈沖，對光強減小的瞬間輸出一個負(fù)脈沖，即微分響應(yīng)。
(2)在三個不同時域內(nèi)本發(fā)明產(chǎn)品對10ns激光脈沖響應(yīng)波形。測試儀器激光器為調(diào)Q倍頻Nd:YAG激光器，波長532nm，脈沖寬度10ns，重復(fù)頻率10Hz。數(shù)字示波器為HP54505B，采用1MΩ AC耦合，平均32次。本發(fā)明產(chǎn)品輸出信號直接接示波器，導(dǎo)電基底接地，對電極接正極。
測試結(jié)果見圖3曲線。由圖3曲線看出，本發(fā)明產(chǎn)品對10ns激光脈沖的響應(yīng)特征是，先產(chǎn)生一個快速的負(fù)脈沖，然后過渡到慢速的正脈沖，即它是一個雙極性電響應(yīng)信號，具有不同于半導(dǎo)體材料的響應(yīng)特性。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜光電變換器，其特征在于它包括用有機或無機透明材料制成板狀體的一表面鍍有導(dǎo)電層，可作為載體的導(dǎo)電基底[1]；設(shè)置在導(dǎo)電基底[1]的導(dǎo)電層上，可將光轉(zhuǎn)換為電信號的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜[2]；可將細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜[2]的電信號輸出的對電極[4]；它還包括設(shè)置在細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜[2]與對電極[4]之間的電解質(zhì)[3]。
2.按照權(quán)利要求1所述的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜光電變換器，其特征在于所說的導(dǎo)電層為氧化銦錫或二氧化錫或金或鉑，鍍膜層的厚度為30～300nm；所說的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜的厚度為2μm～10μm；所說的對電極[4]所用的材料可以與導(dǎo)電基底[1]的材料相同或不相同；所說的電解質(zhì)為液態(tài)電解質(zhì)或固態(tài)電解質(zhì)。
3.按照權(quán)利要求2所述的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜光電變換器，其特征在于所說的液態(tài)電解質(zhì)為中性可溶于水的無機鹽；所說的固態(tài)電解質(zhì)為有機電解質(zhì)。
4.按照權(quán)利要求3所述的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜光電變換器，其特征在于所說的有機電解質(zhì)為摻離子載體的瓊脂糖膠或凝膠或明膠或聚乙烯醇。
5.一種制備權(quán)利要求1的方法，其特征在于它是以下述方法制成。(1)導(dǎo)電基底[1]的制作將有機或無機透明材料制成的板狀體分別用洗滌劑和水用超聲波清洗機清洗，去除該板狀體表面的污物，采用離子濺射法或真空鍍膜法在板狀體的一面鍍導(dǎo)電層，鍍膜層的厚度為30～300nm，面電阻<100Ω/□；(2)細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜[2]的制作導(dǎo)電基底[1]處理將已制作的導(dǎo)電基底[1]按所要求的尺寸切割成小塊，先用洗滌劑和水清洗干凈，放入氫氧化鉀的甲醇飽和溶液中浸泡8～12小時，取出后依次用丙酮，乙醇及二次蒸餾水在超聲波清洗機中超聲清洗，浸泡在異丙酮中備用；細(xì)菌視紫紅質(zhì)制備采用常規(guī)方法從嗜鹽菌品系R1M1中提取細(xì)菌視紫紅質(zhì)；采用電泳沉積法制備細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜[2]取一定量濃度為20～100μmol/L的細(xì)菌視紫紅質(zhì)水懸浮液倒入電泳槽中，電泳槽有兩個電極，其中陰極固定不變，導(dǎo)電基底為陽極。在兩電極上施加一個恒定的直流電壓，細(xì)菌視紫紅質(zhì)在電場的作用下，電偶極子轉(zhuǎn)動并朝陽極方向運動，形成一個電流。電泳5～30分鐘，細(xì)菌視紫紅質(zhì)在陽極表面沉積，電流值明顯減小，切斷電源，取出導(dǎo)電基底，在導(dǎo)電基底[1]的鍍膜層表面上鍍上了一層紫色的薄膜。放在空氣中自然涼干，就得到了分子定向排列的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜[2]。(3)電解質(zhì)[3]的制作用膠將聚四氟乙烯隔離圓環(huán)固定在導(dǎo)電基底[1]上的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜[2]上，把液態(tài)或固態(tài)濃度為0.1～2mol/L、PH值為5～10的電解質(zhì)裝入聚四氟乙烯隔離圓環(huán)內(nèi)；(4)成品制作對電極用膠粘接在聚四氟乙烯隔離圓環(huán)的另一面，將電解質(zhì)[3]密封，制成本發(fā)明產(chǎn)品；(5)檢驗包裝按本發(fā)明產(chǎn)品的技術(shù)條件進(jìn)行質(zhì)量檢驗，合格后，包裝入庫。
全文摘要
一種細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜光電變換器及制備方法,它包括:透明材料制成板狀體的一表面鍍有導(dǎo)電層制成導(dǎo)電基底,設(shè)置在導(dǎo)電基底的導(dǎo)電層上的細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜,可將電信號輸出的對電極,設(shè)置在細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜與對電極之間的電解質(zhì)。其制備方法為:在透明材料板上按常規(guī)方法鍍導(dǎo)電層,制成導(dǎo)電基底,在導(dǎo)電基底上鍍細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜,安裝對電極,在細(xì)菌視紫紅質(zhì)生物膜與對電極之間裝入電解質(zhì)。
文檔編號C12Q1/00GK1305233SQ0013713
公開日2001年7月25日 申請日期2000年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月31日
發(fā)明者姚保利 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所