一种研究叶绿素在植物体内的堆积方式及其光电性质的方法与流程

本发明涉及一种模拟叶绿素在植物体内的堆积方式并用探针台研究其光电性质的方法。

背景技术：

光合作用是植物体赖以生存的基础，植物通过光合作用可以将光能转化为电能，然后进一步转化为化学能储存在植物体内。而植物之所以能进行光合作用，主要是因为在植物体内叶绿体的类囊体膜上叶绿素分子与蛋白质以及叶绿素分子之间发生了相互作用。所以，研究叶绿素分子在植物体内的堆积方式对于人工如何有效地模拟光合作用是极其重要的。长期以来，这一课题引起了很多学者的关注，人们尝试用各种不同的方法来研究植物体内叶绿素的性质及其功能。经过不懈的努力，结果表明，叶绿素分子在植物体内并不是独立无序分布的，而是相互作用有序排列的。早期科学家提出的预想是叶绿素分子在蛋白质与脂质的界面上是以一种二维聚集态的结构存在的。而后来的研究也提出了可信的证据证明了叶绿素分子聚集态的存在。而且长期以来，人们一直认为在叶绿素的堆积结构中水起了很重要的作用，但是并没有着直接证据证明这一点，而且也没有详细研究过水对叶绿素聚集态的影响。对于叶绿素在光合作用中所起的作用也没有实质性的研究，且现有技术都是通过叶绿素的衍生物间接研究叶绿素的光电性质。

探针台主要应用于半导体行业以及光电行业的测试。通过在薄膜或者单晶的两端施加一定的电压，然后开关光源，可以很清楚地观察到该材料对光的响应程度。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种通过模拟叶绿素在植物体内的堆积方式再用探针台研究叶绿素处于该堆积方式下的光电性质的方法。

本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：

一种实现叶绿素堆积的方法，包括如下步骤：

（1）将叶绿素溶于乙腈溶剂中，得到叶绿素溶液；

（2）将叶绿素溶液滴涂在硅片上，或者将叶绿素溶液与水混合静置后再滴涂在硅片上，待溶剂挥发干。

进一步，步骤（1）所述叶绿素溶液的浓度为0.0625mg/ml。

进一步，步骤（2）中叶绿素溶液与水的体积比为3：7。

进一步，步骤（2）中叶绿素溶液与水混合静置时间为3～24h。

一种研究上述堆积状态的叶绿素光电性质的方法，包括如下步骤：

（1）将叶绿素溶于乙腈溶剂中，得到叶绿素溶液；

（2）将叶绿素溶液滴涂在硅片上，或者将叶绿素溶液与水混合静置后再滴涂在硅片上，待溶剂挥发完后，用贴金膜的方法制作成光开关器件；

（3）在探针台上检测光开关器件分别处于光照和无光照条件下电流随时间变化的响应曲线。

进一步，所述硅片的表面有一层300nm厚的SiO₂层。

有益效果：本发明模拟了两种叶绿素可能的堆积方式：一种有水参与，一种没有水参与，有水参与的叶绿素堆积方式呈线状，没有水参与的叶绿素堆积方式呈片状，而植物体内90%的含量是水，所以，叶绿素在植物体内最有可能以线状方式堆积的。采用本发明的方法通过模拟植物体内叶绿素的堆积方式，能直接有效地研究叶绿素的光电性质，从光响应曲线可以看到，线状单晶的响应要比片状单晶好，通过研究叶绿素在植物体内的堆积方式及其光电性质可以为人工模拟光合作用，开发新能源提供依据。

附图说明

图1：a为实施1生长的叶绿素单晶光学显微镜照片；b为实施例2生长的叶绿素单晶光学显微镜照片。

图2为叶绿素的紫外吸收光谱。

图3为实施例2在不同静置时间下生长的单晶的光学显微镜照片。

图4为光开关器件结构示意图。

图5为实施例1光开关的光学显微镜照片。

图6为实施例1的光开关的光响应曲线。

图7为实施例2光开关的光学显微镜照片。

图8为实施例2的光开关的光响应曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

下述实施例中所使用的实施方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均为从商业途径得到。

光电性能测试平台采用keithley 4200 SCS型半导体测试仪，

探针台：Micromanipulator 6150。

实施例1

（1）硅片的清洗

将表面带有300nm SiO₂层的硅片，依次用去离子水、热的双氧水和浓硫酸混合液（体积比：2:1）、去离子水和异丙醇进行清洗，最后用氮气吹干。

（2）单晶的生长

叶绿素a用乙腈溶解，再在手套箱中将叶绿素a的乙腈溶液（0.0625mg/ml）直接滴涂到步骤（1）中清洗干净的硅片上，待溶剂自然挥发完，得到的叶绿素单晶如图1a所示。

（3）光开关器件的制备

将另一块按步骤（1）中清洗干净的硅片置于真空镀膜机内，在真空度为4×10^-4Pa的条件下以0.1Å/s的速度蒸镀金膜（100nm），然后用探针将金膜划成小块，用探针将金膜贴到步骤（2）得到的单晶的两端，构成光开关器件，如图4和图5所示。

（4）器件光响应的测试

将光开关器件置于探针台上，用keithley 4200型半导体测试仪对光开关器件进行光响应测试，检测叶绿素单晶分别处于光照和无光照条件下，电流随时间变化的响应曲线，测试环境：室温和空气条件、以Au为电极，电压30V。光开关器件的光响应曲线如图6所示。

实施例2

（1）硅片的清洗

将带有300nm SiO₂层的硅片，依次用去离子水、热的双氧水和浓硫酸混合液（体积比：2:1）、去离子水和异丙醇进行清洗，最后用氮气吹干。

（2）单晶的生长

将叶绿素a的乙腈溶液（0.0625mg/ml）注入水中（体积比：3:7），分别将静置0h，1h，3h，6h，8h，24h的混合液滴涂到步骤（1）中清洗干净的硅片上，待溶剂自然挥发完，该步骤在手套箱中进行，在不同静置时间下生长得到的叶绿素单晶如图3所示。

（3）光开关器件的制备

将另一块按步骤（1）中清洗干净的硅片置于真空镀膜机内，在真空度为4×10^-4Pa的条件下以0.1Å/s的速度蒸镀金膜（100nm），然后用探针将金膜划成小块，用探针将金膜贴到步骤（2）得到的单晶的两端，构成光开关器件，如图4和图7所示。

（4）器件光响应的测试

将光开关器件置于探针台上，用keithley 4200型半导体测试仪对光开头器件进行光响应测试，检测叶绿素单晶分别处于光照和无光照条件下，电流随时间变化的响应曲线，测试环境：在室温和空气条件、以Au为电极，电压30V。光开关器件的光响应曲线如图8所示。

图1为不同溶剂对生长的叶绿素晶体形貌的影响，实施例1得到的是二维的片状单晶（图1a），实施例2用溶剂交换法得到的是一维的线状单晶（图1b）。

图2（a）是叶绿素a的乙腈溶液和乙腈/水溶液的紫外吸收曲线，相比在乙腈溶液中，叶绿素在乙腈/水溶液中的吸收曲线发生了一点点红移（大概10nm），推测是由于溶液中含有水，其极性发生了变化，所以发生了红移。图2（b）是叶绿素a乙腈/水溶液静置不同时间后的紫外吸收曲线，可以看到随着时间的增长，吸收曲线不断发生红移，证明叶绿素a的分子在水中逐渐的聚集，同时也可以间接证明水在叶绿素a结晶的过程中起到了很重要的作用。

图3进一步显示叶绿素晶体在乙腈/水溶液中的生长：静置时间了0h时完全没有晶体生成，静置1h后可以看到有晶体生成的迹象，3h时可以明显看到大量晶体，时间再增长为6h，8h，24h时，晶体没有发生太大变化，由此可以证明水在一维的叶绿素线状晶体生长过程中确实起到了很重要的作用，并且证明静置3h就可以得到较好的晶体。

图6和图8分别是片状单晶和线状单晶实验所得的光电流随时间变化的响应曲线，可以看出，当有光辐射时，电流随时间呈增大的趋势；当无光辐射时，电流随时间而减小；当光源在开启/关闭状态交替变化时，电流呈现出相应的变化规律。