专利名称：细菌视紫红质生物膜光电变换器及制备方法
技术领域：
本发明属于光电转换器件技术领域，具体涉及到采用生物膜将光转换成电信号。
光是信息和能量的载体，如何高效地将光信息和光能转换为电信号和电化学能与人类的生活密切相关。目前广泛使用的光电转换功能材料是半导体，如硅、锗、砷化镓等，但光能转换效率不高。而生物光敏色素具有很高的光能转换效率。七十年代初，德国科学家Oesterhelt和美国科学家Stoeckenius在研究一种称为嗜盐菌(Halobacterium Halobium)的微生物时，发现了一种新的光敏色素蛋白质，由于它在结构上与视紫红质(rhodopsin)非常相似，因而被取名为细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)。细菌视紫红质由248个氨基酸和一个生色团视黄醛构成，分子量26000。光照会诱发生色团快速异构化，进而引起蛋白质分子结构的一系列变化，最终使一个质子从分子的一端运送到另一端，完成所谓“光驱动质子泵”的功能，将光能转换为电化学能，其光能转换效率可以达到17％。由于细菌视紫红质在生物体外很稳定，如耐高温、耐酸碱、不需要特殊保存可以存活数年、加上它易于大量培养提取、因而是目前找到的最适合于人工利用的生物色素光敏蛋白质之一，将其作为一种新的光敏材料，其主要优点是量子转换效率高、循环使用寿命长，功能单元是单个分子，将可构建为分子电子器件。利用细菌视紫红质薄膜进行光电变换的研究国内外都有报道，但目前大多数都局限于对细菌视紫红质的光驱动质子泵功能，超快光电响应，微分响应特性的基础研究，没有形成对细菌视紫红质作为一种新的光电功能材料的系统研究。
本发明的一个目的在于提供一种结构简单、光电转换率高的细菌视紫红质生物膜光电变换器。
本发明的另一个目的在于提供一种细菌视紫红质生物膜光电变换器的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的解决方案是它包括用有机或无机透明材料制成板状体的一表面镀有导电层，可作为载体的导电基底。它包括设置在导电基底的导电层上，可将光转换为电信号的细菌视紫红质生物膜。它包括可将细菌视紫红质生物膜的电信号输出的对电极。它还包括设置在细菌视紫红质生物膜与对电极之间的电解质。
本发明的的导电层为氧化铟锡或二氧化锡或金或铂，镀膜层的厚度为30～300nm。本发明的细菌视紫红质生物膜的厚度为2μm～10μm。本发明的对电极所用的材料可以与导电基底的材料相同或不相同。本发明的电解质为液态电解质或固态电解质。
本发明的液态电解质为中性可溶于水的无机盐。本发明的固态电解质为有机电解质。
本发明的有机电解质为掺离子载体的琼脂糖胶或凝胶或明胶或聚乙烯醇。
本发明的制备方法为(1)导电基底制作将有机或无机透明材料制成的板状体分别用洗涤剂和水用超声波清洗机清洗，去除该板状体表面的污物，采用离子溅射法或真空镀膜法在板状体的一面镀导电层，镀膜层的厚度为30～300nm，面电阻<100Ω/□。
(2)细菌视紫红质生物膜制作导电基底处理将已制作的导电基底按所要求的尺寸切割成小块，先用洗涤剂和水清洗干净，放入氢氧化钾的甲醇饱和溶液中浸泡8～12小时，取出后依次用丙酮，乙醇及二次蒸馏水在超声波清洗机中超声清洗，浸泡在异丙酮中备用。
细菌视紫红质制备采用常规方法从嗜盐菌品系R1M1中提取细菌视紫红质。
采用电泳沉积法制备细菌视紫红质生物膜取一定量浓度为20～100μmol/L的细菌视紫红质水悬浮液倒入电泳槽中，电泳槽有两个电极，其中阴极固‖定不变‖，导电基底|为阳极|。在两|电极|上施加一个恒定的直流电压，细菌视紫红质在电场的作用下，电偶极子转动并朝阳极方向运动，形成一个电流。电泳5～30分钟，细菌视紫红质在阳极表面沉积，电流值明显减小，切断电源，取出导电基底，在导电基底的镀膜层表面上镀上了一层紫色的薄膜。放在空气中自然凉干，就得到了分子定向排列的细菌视紫红质生物膜。
(3)电解质制作用胶将聚四氟乙烯隔离圆环固定在导电基底上的细菌视紫红质生物膜上，把液态或固态浓度为0.1～2mol/L、PH值为5～10的电解质装入聚四氟乙烯隔离圆环内。
(4)成品制作对电极用胶粘接在聚四氟乙烯隔离圆环的另一面，将电解质密封，制成本发明产品。
(5)检验包装按本发明产品的技术条件进行质量检验，合格后，包装入库。
本发明是用从自然界中选择出来的细菌视紫红质制作成分子定向排列的生物膜，用作为光电变换器的光电转换材料，光电转换率高达17％，可作为一种生物分子电子器件。本发明的制备方法具有制备工艺简单、操作简便、容易实现等优点。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明第一个实施例细菌紫红质生物膜光电变换器对变化光强的微分响应信号曲线。
图3是本发明第一个实施例细菌紫红质生物膜光电变换器对10ns激光脉冲的响应波形。
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些在
图1中，在K9玻璃的一面镀氧化铟锡导电层制成导电基底1，氧化铟锡导电层的厚度为50nm。本实施例的K9玻璃也可选用有机玻璃，氧化铟锡导电层也可以选用二氧化锡或金或铂导电层，厚度与氧化铟锡相同。在导电基底1的导电层上镀细菌视紫红质生物膜，细菌视紫红质生物膜2的厚度为5μm。本实施例的对电极4采用紫铜板，也可采用其它金属板或与本发明导电基底1相同的材料作为对电极4。本实施例的电解质3采用1mol/L KCl溶液配制成的琼脂糖胶，琼脂糖胶的浓度为0.6％，PH值为7，将其装入到聚四氟乙烯隔离圆环内，聚四氟乙烯隔离圆环的一面与镀有细菌紫红质生物膜2的导电基底1的一面用110强力胶粘接、另一面与紫铜板对电极用110强力胶粘接。本实施例的电解质也可采用凝胶或明胶或聚乙烯醇。
(1)导电基底1制作取1.1mm厚的K9玻璃板分别用洗涤剂和水用超声波清洗机清洗，去除玻璃板表面的污物，采用离子溅射法在K9玻璃板的一表面镀氧化铟锡导电层，厚度为50nm，表面电阻为50Ω/□。
(2)细菌视紫红质生物膜2制作将已制作的导电基底1按所要求的尺寸切割成小块，先用洗涤剂和水清洗干净，放入氢氧化钾的甲醇饱和溶液中浸泡10小时，取出后依次用丙酮、乙醇及二次蒸馏水在超声波清洗机中超声清洗，然后浸泡在异丙醇中备用。采用常规方法从嗜盐菌品系R1M1中提取细菌视紫红质，制成细菌视紫红质水悬浮液，浓度为50μmol/L。采用电泳沉积法制备细菌视紫红质生物膜2。取一定量浓度为50μmol/L的细菌视紫红质水悬浮液倒入电泳槽内，电泳槽内的阴极不变，用导电基底1作为阳极，通10V直流电，细菌视紫红质水悬浮液中的细菌视紫红质在电场作用下朝阳极运动，形成电流，电泳10分钟后，电流值明显减小，切断电源，取出导电基底，细菌视紫红质分子定向排列沉积在导电基底上，放在空气中自然凉干，制成细菌视紫红质生物膜2。
(3)电解质3制作将聚四氟乙烯隔离圆环用110强力胶粘接在导基底1上的细菌视紫红质生物膜2上。电解质采用1mol/L KCl溶液配制成的琼脂糖胶，其浓度为0.6％，PH值为7，用水浴法将其加热到60℃，变成液体，灌注入聚四氟乙烯隔离圆环内，冷却，固化。
(4)成品制作将紫铜板对电极4用110强力胶粘接在聚四氟乙烯隔离圆环的另一面上，将电解质密封，制成本发明产品。
(5)检验、包装按本发明的技术条件进行质量检验，合格后，包装入库。
发明人给出了本发明第二个实施例。在本实施例中，导电镀膜层的厚度为30nm，细菌视紫红质水悬浮液的浓度为20μmol/L，电泳30分钟，细菌视紫红质生物膜2的厚度为2μm，电解质的浓度为0.1mol/L、PH值为5其它零部件所用的材料以及零部件的联接关系与第一个实施例相同，其它制备方法与第一个实施例的制备方法相同。
发明人给出了本发明第三个实施例。在本实施例中，导电镀膜层的厚度为300nm，细菌视紫红质水悬浮液的浓度为100μmol/L，电泳5分钟，细菌视紫红质生物膜2的厚度为10μm，电解质的浓度为2mol/L、PH值为10，其它零部件所用的材料以及零部件的联接关系与第一个实施例相同，其它制备方法与第一个实施例的制备方法相同。
发明人给出了本发明的第四个实施例。在本实施例中，导电镀膜层的厚度为30nm，细菌视紫红质生物膜2的厚度为10μm，其它零部件所用的材料以及零部件的联接关系与第一个实施例相同，其制备方法与第一个实施例相同。
发明人给出了本发明的第五个实施例。在本实施例中，导电镀膜层的厚度为300nm，细菌视紫红质生物膜2的厚度为2μm，其它零部件所用的材料以及零部件的联接关系与第一个实施例相同，其制备方法与第一个实施例相同。
发明人给出了本发明的第六个实施例。在本实施例中，电解质3采用KCl或NaCl水溶液。导基底1和细菌视紫红质生物膜2的制作方法与第一个实施例导电基底1和细菌视紫红质生物膜2的制作方法完全相同。细菌视紫红质生物膜2制作好后，将聚四氟乙烯隔离圆环的一面用110强力胶与导电基底1上的细菌视紫红质生物膜2镀层粘接，然后将KCl或NaCl配制成水溶液，浓度为1.5mol/L，PH值为8，灌注入聚四氟乙烯隔离圆环内，最后将紫铜片对电极用110强力胶粘接聚四氟乙烯隔离圆环的另一面，制成本发明产品。其它制备方法与第一个实施例相同。
发明人采用本发明第一个实施例及其制作方法制作的产品，用数字示波器测试其光电响应特性。
(1)本发明对变化光强的微分响应信号。试验方法采用100W卤钨灯作为光源，经透镜会聚到细菌紫红质生物膜上，光强变化用斩波器调制，输出信号直接接示波器，导电基底接地，对电极接正极，数字示波器为HP54505B，采用1MΩ AC耦合测量。
测试结果如图2所示。由图2曲线看出，本发明对不同的入射光表现出不同的响应特性，反映出细菌紫红质生物膜光电功能材料具有不同于半导体材料的特殊性能。由曲线看出，对于连续光，本发明产品输出一个恒定的电信号，对光强增加的瞬间输出一个正脉冲，对光强减小的瞬间输出一个负脉冲，即微分响应。
(2)在三个不同时域内本发明产品对10ns激光脉冲响应波形。测试仪器激光器为调Q倍频Nd:YAG激光器，波长532nm，脉冲宽度10ns，重复频率10Hz。数字示波器为HP54505B，采用1MΩ AC耦合，平均32次。本发明产品输出信号直接接示波器，导电基底接地，对电极接正极。
测试结果见图3曲线。由图3曲线看出，本发明产品对10ns激光脉冲的响应特征是，先产生一个快速的负脉冲，然后过渡到慢速的正脉冲，即它是一个双极性电响应信号，具有不同于半导体材料的响应特性。
权利要求
1.一种细菌视紫红质生物膜光电变换器，其特征在于它包括用有机或无机透明材料制成板状体的一表面镀有导电层，可作为载体的导电基底[1]；设置在导电基底[1]的导电层上，可将光转换为电信号的细菌视紫红质生物膜[2]；可将细菌视紫红质生物膜[2]的电信号输出的对电极[4]；它还包括设置在细菌视紫红质生物膜[2]与对电极[4]之间的电解质[3]。
2.按照权利要求1所述的细菌视紫红质生物膜光电变换器，其特征在于所说的导电层为氧化铟锡或二氧化锡或金或铂，镀膜层的厚度为30～300nm；所说的细菌视紫红质生物膜的厚度为2μm～10μm；所说的对电极[4]所用的材料可以与导电基底[1]的材料相同或不相同；所说的电解质为液态电解质或固态电解质。
3.按照权利要求2所述的细菌视紫红质生物膜光电变换器，其特征在于所说的液态电解质为中性可溶于水的无机盐；所说的固态电解质为有机电解质。
4.按照权利要求3所述的细菌视紫红质生物膜光电变换器，其特征在于所说的有机电解质为掺离子载体的琼脂糖胶或凝胶或明胶或聚乙烯醇。
5.一种制备权利要求1的方法，其特征在于它是以下述方法制成。(1)导电基底[1]的制作将有机或无机透明材料制成的板状体分别用洗涤剂和水用超声波清洗机清洗，去除该板状体表面的污物，采用离子溅射法或真空镀膜法在板状体的一面镀导电层，镀膜层的厚度为30～300nm，面电阻<100Ω/□；(2)细菌视紫红质生物膜[2]的制作导电基底[1]处理将已制作的导电基底[1]按所要求的尺寸切割成小块，先用洗涤剂和水清洗干净，放入氢氧化钾的甲醇饱和溶液中浸泡8～12小时，取出后依次用丙酮，乙醇及二次蒸馏水在超声波清洗机中超声清洗，浸泡在异丙酮中备用；细菌视紫红质制备采用常规方法从嗜盐菌品系R1M1中提取细菌视紫红质；采用电泳沉积法制备细菌视紫红质生物膜[2]取一定量浓度为20～100μmol/L的细菌视紫红质水悬浮液倒入电泳槽中，电泳槽有两个电极，其中阴极固定不变，导电基底为阳极。在两电极上施加一个恒定的直流电压，细菌视紫红质在电场的作用下，电偶极子转动并朝阳极方向运动，形成一个电流。电泳5～30分钟，细菌视紫红质在阳极表面沉积，电流值明显减小，切断电源，取出导电基底，在导电基底[1]的镀膜层表面上镀上了一层紫色的薄膜。放在空气中自然凉干，就得到了分子定向排列的细菌视紫红质生物膜[2]。(3)电解质[3]的制作用胶将聚四氟乙烯隔离圆环固定在导电基底[1]上的细菌视紫红质生物膜[2]上，把液态或固态浓度为0.1～2mol/L、PH值为5～10的电解质装入聚四氟乙烯隔离圆环内；(4)成品制作对电极用胶粘接在聚四氟乙烯隔离圆环的另一面，将电解质[3]密封，制成本发明产品；(5)检验包装按本发明产品的技术条件进行质量检验，合格后，包装入库。
全文摘要
一种细菌视紫红质生物膜光电变换器及制备方法,它包括:透明材料制成板状体的一表面镀有导电层制成导电基底,设置在导电基底的导电层上的细菌视紫红质生物膜,可将电信号输出的对电极,设置在细菌视紫红质生物膜与对电极之间的电解质。其制备方法为:在透明材料板上按常规方法镀导电层,制成导电基底,在导电基底上镀细菌视紫红质生物膜,安装对电极,在细菌视紫红质生物膜与对电极之间装入电解质。
文档编号C12Q1/00GK1305233SQ0013713
公开日2001年7月25日 申请日期2000年12月31日 优先权日2000年12月31日
发明者姚保利 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所