本發(fā)明屬于生物技術，具體涉及一種定向重組別藻藍蛋白三聚體作為光學敏化材料的應用。

背景技術：
太陽能是最豐富的可持續(xù)的能源資源，地球的表面從太陽每年約獲得4×1024J的太陽能。自然界的光合作用是超過3.5億年典型的太陽能應用。生物過程是規(guī)模最大的光子能量轉換成吉布斯自由能的過程。光合生物在地球上包括綠色的植物，藻類，光合細菌和藍藻。在所有生物光合作用復合物中，別藻藍蛋白三聚體這一天線系統(tǒng)所捕獲的光子用于維持跨膜反應中心的電荷分離。近來，基于大分子的染料敏化太陽能電池的研究和利用，尤其是基于葉綠素的人工光伏設備和超分子光合蛋白復合物的發(fā)現(xiàn)，促成了很多先進仿生太陽能光伏設備的開發(fā)。但是研究主要集中在利用細菌視紫紅質（BR），光系統(tǒng)I（PSI），光系統(tǒng)II（PSII）和光捕獲復合體（LHCII）創(chuàng)造直接轉換太陽能的光伏設備。別藻藍蛋白是藻膽蛋白中結構較為簡單的蛋白，由α和β亞基緊密結合構成異二聚體（通常稱為單體），每個亞基只結合一個色基。三個單體通過非共價作用結合為三聚體（αβ）3。別藻藍蛋白吸收約650～660nm的可見光，發(fā)射光約660～670nm的熒光。別藻藍蛋白（APC）的三聚體組成藻膽體的核心，能高效的傳遞較低能量的光子（最大波長650nm）。在廣泛可見光譜范圍內以令人難以置信的效率，作為太陽能捕光天線，將捕獲的太陽光能傳輸至光合反應中心。X-射線晶體學研究已揭示了在0.29納米分辨率下別藻藍蛋白三聚體的結構細節(jié)。最近的研究表明，在別藻藍蛋白三聚體中在430-440飛秒的時間尺度上，能量按照福斯特共振機制從三聚體中傳遞到反應中心葉綠素。2009年，劉少芳等首先裝配高度可溶的自組裝生物工程別藻藍蛋白三聚體融合N-末端組氨酸（His標簽）來自于Synechocystissp.PCC6803基因組，并在大腸桿菌宿主中表達。通過熒光和吸收光譜法分析已經(jīng)證明重組別藻藍蛋白三聚體的結構，熱穩(wěn)定性和熒光特性的于天然三聚體相似。融合的His6-標簽提供了一種簡便的方法，易于大規(guī)模的從細胞裂解物中純化重組的別藻藍蛋白三聚體。同時也順利完成了大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)重組別藻藍蛋白（APC）三聚體。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于，提供一種定向重組別藻藍蛋白三聚體作為光學敏化材料的應用。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：一種重組別藻藍蛋白三聚體作為光學敏化材料的應用。通過重組別藻藍蛋白三聚體溶液處理半導體電極或者金屬電極，使電極表面由于重組別藻藍蛋白三聚體溶液存在通過靜電力吸附和氫鍵相互作用吸附形成定向或非定向的重組別藻藍蛋白三聚體層，使吸附有重組別藻藍蛋白三聚體層的電極在光照條件下完成太陽能到電能的轉化。所述重組別藻藍蛋白三聚體溶液為0.001毫克/毫升—10毫克/毫升。所述重組別藻藍蛋白三聚體溶液中通過靜電力吸附和氫鍵相互作用于電極表面形成定向吸附層的電極為孔徑1納米—1微米的多孔納米結構或者線性晶體結構。所述吸附有重組別藻藍蛋白三聚體層的電極可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：1.重組別藻藍蛋白三聚體具有更快的電子轉移速率，較高的量子效率，近紅外區(qū)有較寬的吸收帶，無毒并且有很好的穩(wěn)定性。利用納米尺度的光陽極能更好的收集和傳輸電子，并且可以使用模塊化技術降低成本。具有較高的光伏特性。2.本發(fā)明重組別藻藍蛋白三聚體利用大腸桿菌生產(chǎn)重組光活性蛋白，規(guī)?；l(fā)酵生產(chǎn)，易于培養(yǎng)，生長快，可以大大縮短生產(chǎn)周期，易于純化，生產(chǎn)過程可以節(jié)約能源并且生產(chǎn)效率高。得到的重組蛋白含有His-tag標記，通過離子螯合色譜一步純化便可獲得目的蛋白，且純度較高。同時His-tag標記便于電極表面的定向組裝。3.本發(fā)明所選用的光敏材料除了模擬自然界中的光合作用以外，同時可以和現(xiàn)有的天然色素敏化染料混合共敏化，增大對太陽光吸收波長的范圍和吸收效率。4.本發(fā)明以定向重組別藻藍蛋白三聚體作為敏化染料的生物大分子太陽能敏化電池。其生物大分子染料敏化太陽能電池具有成本低,制作工藝簡單，無毒，環(huán)境友好。附圖說明圖1本發(fā)明制備以別藻藍蛋白三聚體為敏化劑的太陽能電池示意圖；圖2a為本發(fā)明以別藻藍蛋白三聚體為敏化劑的光陽極表面蛋白吸附狀態(tài)的激光共聚焦顯微鏡圖；圖2b為本發(fā)明以別藻藍蛋白三聚體為敏化劑的光陽極表面蛋白吸附狀態(tài)的掃描電子顯微鏡圖；圖2c為本發(fā)明以別藻藍蛋白三聚體為敏化劑的光陽極表面蛋白吸附狀態(tài)的原子力顯微鏡圖；圖3本發(fā)明定向重組別藻藍蛋白三聚體為敏化劑的太陽能電池光伏特性圖。具體實施方式下面通過實施實例具體說明本發(fā)明：本發(fā)明首先帶有有利于分離純化，和定向組裝組氨酸標簽；其次通過不同濃度蛋白溶液處理電極，而后采用氮氣吹干或者真空冷凍干燥，依賴靜電力吸附和氫鍵相互作用在電極表面形成定向或非定向的單層或多層吸附；敏化半導體電極或者金屬電極使之在光照條件下可以直接完成太陽能到電能的轉化。實施實例1：Ti02電極的構建和敏化1）納米多孔結構的光陽極和鉑對電極都存在于（FTO）玻璃基板：FTO玻璃依次用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。使用絲網(wǎng)印刷法將10-80納米尺度的球狀粒子的二氧化鈦沉積與已制備的FTO玻璃（1.8厘米膜厚）的表面上，沉積厚度大約12μm的，即制作得到半導體膜作為陽極電極。將球狀粒子（10-1000納米）的二氧化鈦于500℃加熱30分鐘，使二氧化鈦顆粒燒結在一起，以創(chuàng)建一個滲透性的導電網(wǎng)絡。陽極電極制備后，在350℃下加熱40分鐘，然后冷卻至50℃，二氧化鈦陽極電極浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液（3毫克/毫升）于室溫下在黑暗中吸附24小時。吸附后，用去離子水漂洗敏化光陽極，除去不牢固的吸附，然后在氮氣下干燥。所述別藻藍蛋白三聚體根據(jù)申請?zhí)枮?00910255643.X、公開號為CN102094029A的專利文獻中記載的方式制備所得。敏化后的光陽極表面的表征用激光共聚焦顯微鏡，原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡來描述納米尺度的敏化光陽極的固定特征。首先，559nm波長的固態(tài)激光器用于激發(fā)熒光信號，然后獲取570nm-670nm波長頻帶的熒光圖像，通過共焦激光掃描顯微鏡（奧林巴斯FLUOFV1000，日本）40倍物鏡。接著，利用納米級原子力顯微鏡（Veeco公司，USA）在scanasyst空氣模式下得到敏化表面的可視化照片。在15mA持續(xù)45秒的條件下，鉑離子真空濺射鍍膜（日立E-1045離子濺射儀，日本），對同一樣品使用高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡，（日立S-4800，日本）進行了檢測。最終得到不規(guī)則多層吸附的陽極表面（參見圖2）。多層吸附實現(xiàn)的化學原理多層吸附是通過靜電相互作用來實現(xiàn)的。如羰基，酰胺，咪唑，這些在生物系統(tǒng)中能形成強力非共價鍵力的官能團，特別是對大分子之間的氫鍵形成，發(fā)揮關鍵的作用。在電負性原子參加的定向重組別藻藍蛋白三聚體之間的氫鍵，定向重組別藻藍蛋白三聚體與二氧化鈦電極距離小于0.3nm并在與水分子的競爭下的熱運動形成這些氫鍵是可能的。仿生太陽能轉換裝置的構建以及參數(shù)測量。敏化的光陽極和鍍鉑電極通過直徑為7mm的激光切割沙林墊片（SOLARONIXSA，25微米厚）進行組裝，中央形成密閉的空腔。將液體電解質溶液（將0.5M的LII，0.05MI2，0.3MDMPII，0.5M的4-TBP和0.1MGNCS共同溶于乙腈）注入此空腔，而后進行測量。在標準光照條件下（100mW/cm-2），使用IV測試系統(tǒng)（CrownTech，美國）對太陽能電池的光伏特性進行了測試，包括短路電流，開路電壓，填充因子和轉換效率（參見圖3）。實施例2以申請?zhí)枮?00910255643.X、公開號為CN102094029A的專利文獻中記載，首先將別藻藍蛋白α亞基脫輔基蛋白基因與藻膽素生物合成酶基因ho1和pcyA克隆到一個表達載體中；其次將別藻藍蛋白β亞基脫輔基蛋白基因與色基裂合酶基因cpcS和cpcU克隆到另一個載體上，將兩個表達載體同時轉化大腸桿菌，篩選出同時表達上述基因的工程菌。利用所得工程菌在5L發(fā)酵罐中表達融合藻藍蛋白的程序如下:取保存的菌種100μl無菌接種于5ml液體LB培養(yǎng)基，37℃震蕩培養(yǎng)12小時，然后轉接于含200ml液體LB培養(yǎng)基的三角瓶，37℃震蕩培養(yǎng)4小時。工程菌的發(fā)酵在5L自動發(fā)酵罐中進行，體積比為2％的接種量，誘導前培養(yǎng)溫度設為37℃，轉速隨發(fā)酵時間由300-500rpm遞增，pH均自動控制；發(fā)酵開始4h后，菌體生長至對數(shù)期，原培養(yǎng)基中的碳源接近耗盡時，以0.08g/L·min-1的速率進行葡萄糖補料。發(fā)酵開始約7h時，先將罐內溫度緩慢降至28℃，然后加入誘導劑IPTG至終濃度0.5mmol/L，降低轉速至150rpm，誘導培養(yǎng)10h以上。別藻藍蛋白的分離純化：將上述發(fā)酵液離心（5000rpm，10min）得到已表達目的蛋白的菌體，按照每升結合緩沖液（20mmol/L磷酸鈉，0.5mol/L氯化鈉，20mmol/L咪唑，pH7.4）加入濕菌體80g的比例將菌體重懸，超聲破碎細菌20分鐘，12000rpm，4℃條件下離心，收集上清液，上樣于Ni2+親和色譜柱，用5倍柱體積的緩沖液（20mmol/L磷酸鈉，0.5mol/L氯化鈉，50mmol/L咪唑，pH7.4）沖洗色譜柱后，用洗脫緩沖液(20mmol/L磷酸鈉，0.5mol/L氯化鈉，400mmol/L咪唑，pH7.0)洗脫，洗脫液經(jīng)millipore蛋白濃縮柱脫鹽濃縮后即得到脫鹽蛋白。通過Superdex200凝膠色譜柱，用50mM磷酸鉀緩沖液（pH7.0）洗脫，洗脫速度為10ml/h，收集A650nm/A620nm>1.3的流出液，為目的蛋白，即純化后別藻藍蛋白三聚體熒光蛋白。別藻藍蛋白為兩個亞基α和β的N端重疊呈“彎月”形單體結構，三個單體（αβ）圍繞中心軸形成一個具有中央空洞的圓盤狀三聚體結構，該圓盤狀厚度約為3納米，圓盤外周直徑約為12納米，內部中空的直徑為1.5－5納米。以納米多孔（10-100納米）結構的金箔片作為光陽極，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。金箔片電極被浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（1毫克/毫升）室溫下在黑暗中吸附24小時。吸附后，用去離子水漂洗敏化光陽極，除去不牢固的吸附，然后在氮氣下干燥。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例3與實施例1不同之處在于：采用納米多孔結構的金箔片作為光陽極，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。將別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（2毫克/毫升）滴加在金箔片電極表面，而后于黑暗條件下利用真空冷凍干燥機干燥，在電極表面形成定向三聚體多層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例4與實施例1不同之處在于：采用納米多孔結構的金銀合金箔片作為光陽極表面，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。金箔片電極被浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（0.001毫克/毫升）黑暗條件下利用真空冷凍干燥機干燥，在電極表面形成定向三聚體多層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例5與實施例1不同之處在于：采用氧化鋅納米線作為光陽極表面，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。將別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（0.01毫克/毫升）滴加在金箔片電極表面，而后于黑暗條件下利用氮氣吹干電極表面，在電極表面形成非定向三聚體多層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例6與實施例1不同之處在于：采用納米多孔結構的金銀合金箔片作為光陽極，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。金箔片電極被浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（0.1毫克/毫升），室溫下在黑暗中吸附24小時。吸附后，用去離子水漂洗敏化光陽極，除去不牢固的吸附，然后在氮氣下干燥。在電極表面形成定向三聚體多層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例7與實施例1不同之處在于：采用氧化鋅納米線作為光陽極表面，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。金箔片電極被浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（1.5毫克/毫升）室溫下在黑暗中吸附24小時。吸附后，用去離子水漂洗敏化光陽極，除去不牢固的吸附，然后在氮氣下干燥。在電極表面形成非定向三聚體多層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例8與實施例1不同之處在于：采用納米多孔結構的金箔片作為光陽極，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。金箔片電極被浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（0.5毫克/毫升）室溫下在黑暗中吸附24小時。吸附后，用去離子水漂洗敏化光陽極，除去不牢固的吸附，然后在氮氣下干燥。在電極表面形成定向三聚體多層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例9與實施例1不同之處在于：采用燒結的二氧化鈦顆粒納米層作為光陽極表面，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。金箔片電極被浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（1.5毫克/毫升）黑暗條件下利用真空冷凍干燥機干燥，在電極表面形成非定向三聚體多層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例10與實施例1不同之處在于：采用燒結的二氧化鈦顆粒納米層作為光陽極表面，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。金箔片電極被浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（0.05毫克/毫升）黑暗條件下利用真空冷凍干燥機干燥，在電極表面形成非定向三聚體單層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例11與實施例1不同之處在于：采用氧化鋅納米線作為光陽極表面，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。金箔片電極被浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（0.04毫克/毫升）黑暗條件下利用真空冷凍干燥機干燥，在電極表面形成非定向三聚體單層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。實施例12與實施例1不同之處在于：采用納米多孔結構的金銀合金箔片作為光陽極，鉑作為對電極。用乙醇，氯仿進行20分鐘超聲波振動處理后，紫外臭氧消毒10分鐘。金箔片電極被浸泡在別藻藍蛋白三聚體的PH為7.0的50mM磷酸鈉緩沖液溶液（0.008毫克/毫升），室溫下在黑暗中吸附24小時。吸附后，用去離子水漂洗敏化光陽極，除去不牢固的吸附，然后在氮氣下干燥。在電極表面形成定向三聚體單層吸附。所得電極在光照條件下可直接完成太陽能到電能的轉化，即可作為太陽能電池或光學傳感器的電極使用。