专利名称：光电流发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于光化学电流发生装置领域。
背景技术：
已有多种金改性的表面被用于产生和分析光电流[7-9]。借助ITO或Au大电极(macroelectrode)，可将多种光子接收基团，或基团组合应用于光电流发生器，例如富勒烯，[6，8，11-32]卟啉，[5，6，8，9，11，13-16，20，21，23-25，29-31，33-44]二茂铁，[5，8，13，23，24，29，36，42，45]Ru(bipy)3[29，46-48]和芘[7-9，45]。在某些情况下，光电流的产生通过生物分子间隔基团介导[7，49-52]。
发明概述在可选择的方面，本发明提供了包括诸如荧光素的接收光子的电子转移部分的系统，其中该电子转移部分通过诸如核酸的传导性间隔部分连接到电极(其可以是能进行电子转导的任意表面，即电化学转换器)。向所述电极施加偏置电势以还原所述接收光子的电子转移部分，从而形成还原的接收光子的电子转移物质，例如FI-自由基，其能够吸收光子形成激发的电子转移物质。所述系统还具有电子接收部分，例如NAD或NADP，其能从所述激发的电子转移物质接收电子，从而形成还原的电子受体，例如NADH或NADPH。所述电子接收部分可置于含有支持电子转移的电解质的溶液中，该溶液可称为电子转移溶液，例如能向所述还原的电子受体提供质子的水溶液。可将所述连接的电子转移部分浸入所述电子转移溶液中，从而供应所述溶液中的所述激发的电子转移物质和连续的电子接收部分之间的重复的电子转移反应。可对该系统所用的电化学物质进行选择，使得施加于所述电极用来形成所述还原的电子转移物质的偏置电势低于形成所述还原的电子受体所需的电势，因而使得在所述电极上没有发生电子转移反应形成所述还原的电子受体的倾向。可对所述系统的组件进行选择，从而使得所述还原的电子转移物质的生成速率高于所述激发的电子转移物质向所述电子受体供给电子的速率，从而使得当向所述电极施加适当的偏置电势时，大部分所述电子转移物质处于还原态，其易于吸收光子形成所述激发的电子转移物质。
所述还原的电子受体可以用于例如产生氢的反应。
在本发明的一些实施方案中，可以向所述电子转移溶液中加入能利用所述还原的电子受体如NAD(P)H的酶或其他化学或生物化学系统，来利用所述还原的电子受体。在这些实施方案中，所述还原的电子受体可以是例如有生物活性的酶辅因子。所述光电化学产生的辅因子可以进行例如酶学利用来驱动醛向醇的转化，酮的还原，还原氨基化或有机酸的还原。因此，本发明的光化学再生的辅因子如NAD(P)H可用于驱动多种次级生物催化转化，例如还原转化或生物催化的酶级联反应。
附图的简要说明
图1所示为使用微电极产生光电流的实验装置的示意图(如本文所述，替换实施例可使用多种电极构造以及表面类型)。
图2所示为(a)在(a)在KOH中，及(b)在KOH和荧光素存在的条件下，在pH12，50mV·s-1时BAS大电极上的暗(Dark)电流CVs。(b)在pH8.6，50mV·s-1时开灯(-)和关灯(-)条件下微电极的CVs。参比电极为Ag/AgCl。
图3所示为(a)在不同的电势施加持续时间(vs.Ag/AgCI)i)0mV，ii)-750mV，1min，iii)-750mV，2min，iv)-750mV，3min，v)-750mV，6min，vi)-750mV，10min，vii)-750mV，20min的条件下荧光素的UV-可见吸收光谱；(b)在不同的电势施加持续时间(vs.Ag/AgCl)i)0mV，ii)-750mV，1min，iii)-750mV，2min，iv)-750mV，3min，v)-750mV，4min的条件下荧光素的发射光谱。
图4所示为(a)在-750mV(vs.Ag/AgCl)大量电解1小时之后的1∶2的ERP光谱；以及(b)模拟的1∶2的ERP光谱。
图5所示为来自通过Au微电极上的1∶2单层产生光电流的实施例的数据，其中所示为(a)溶液中有NADP+；(b)溶液中没有NADP+；以及(c)632nm辐射(功率＝10mW·cm-2)照射下的1∶2单层以及溶液中存在NADP+。
图6所示为在缺乏NADP+(□)和存在NADP+(○)的情况下，(a)光电流响应对所施加的还原电势的函数；以及(b)光电流响应对光强度的函数。
图7显示了多次激发响应，其表明光电流作为重复次数的函数有小幅降低。
图8所示为在473nm辐射、4mW·cm-2和0.1mM NADP+溶液的条件下，来自Au网电极(mesh electrode)上的1∶2单层的光谱电化学数据。(a)在0mV(-)和-750mV(--)vs.Ag/AgCl条件下的基线NADP+；(b)为乳酸脱氢酶和丙酮酸加入前(--)和加入后(-)的UV-可见光谱。
图9所示为光电流产生和NADP+还原的推定机理的示意图，其仅出于概念性目的(而不必描述本发明实施方案运作的实际机理)。
图10所示为本发明的氢发电机的示意图，其中暗反应舱含有可利用还原的电子受体“NXH”(例如NADH[我们可以插入可选择的烟酰胺衍生物的描述，如果你知道它们是什么的话？])的氢化酶或其他催化剂来合成H2，其中所述还原的电子受体NXH由本发明的光反应提供，该光反应在与所述暗反应舱存在液体连接的光反应舱中进行，其中连接到电极(电化学传导性表面)的光子受体(荧光团“F”)介导了所述NXH的合成。
图11所示为在1∶2改性的金网电极上的光诱导的NADH电化学合成的UV-可见证据的示意图。
图12所示为在乙醛(acetylaldehyde)存在的条件下，显示由醇脱氢酶(ADH，Baker’s Yeast，Sigma-Aldrich)引起的NADH酶消耗的UV-可见光谱的示意图。
图13所示为金电极上的荧光素标记的DNA的自组装单层上的NADH光生成作用的推定机理的示意图，其仅为概念性目的(而不必描述本发明实施方案运作的实际机理)。
图14a-b所示为金电极上的所述自组装单层在辐射下生成光电流的示意图。(a)473nm含NAD+；(b)473nm无NAD+；632nm含NAD+。标尺(scaler)为Y＝200nA·cm-2，X＝20秒。
图15a-b所示为(a)有NAD+(○)以及没有NAD+(□)的条件下，电流密度对所述入射光强度的函数，以及(b)电流密度对所施加的电势的函数。
图16a-b所示为(a)从NAD+形成NADH光生成作用的分光光度分析。340nm的峰对应NADH的形成。每条曲线代表步长为5分钟的辐射。比色杯的体积为0.12ml。以及(b)通过NADH-依赖的醇脱氢酶(0.5U/ml)的催化，利用NADH驱动乙醛(10mM)向乙醇的转化。340nm处吸光度的降低对应NADH向NAD+的转化。每条曲线代表了3分钟步长。在缺乏乙醛或醇脱氢酶的情况下，光谱无变化。
发明的详细说明一方面，本发明提供了从金微电极上的荧光素标记DNA的自组装单层(SAM)产生光电流的系统。在这类实施方案中，荧光素作为光子受体(或荧光团)，DNA作为将所述光子受体或荧光团连接到所述电极表面的间隔基团。荧光素具有相对较大的摩尔吸光度，因而更容易吸收光子来进行后续反应[10]。在示例性的实施方案中，使用所述DNA间隔基团的部分原因是间隔物长度依赖性的研究证实较短的间隔基团其光电流降低，表明通过紧密接近电极表面可以使将激发状态的荧光团其失活。在适应这些限制的情况下，本发明也可选用其他的荧光团和间隔基团。可选择的间隔基团可包括，例如传导性的聚合物，如多吡咯类，聚噻吩类，聚苯乙炔类，肽类，聚酰胺或肽核酸(PNAs)。可选择的光子受体包括卟啉类，黄素类，泛醌类，醌类，二茂铁，Ru(bipy)3，亚甲基兰，亚甲基绿，MV+，芘和纳米颗粒类(例如Au，Ag，CdSe，SdS，ZnSe，ZnS，Pd，Pt)。可选择的基体可包括，例如，铟锡氧化物(ITO)，Ag，Pt和Si表面，其可形成为具有多种拓扑结构的表面，从微电极到大的平表面。基本透明的ITO电极组(electrode stack)可适用于提供穿过电子受体的电流，从而所述电子受体(例如NAD(P)H)从所述电极组的照射面进入，而还原的电子受体(例如NAD(P)H)则从所述电极组的无照射面离开，该过程中所述基本透明的电极组在所述电极组的整个深度范围内都能协助对所述系统的照射。
如图10所示，所述还原的电子受体可用于例如产生氢的反应中。如图11和图12所示，通过本发明系统生成的NADH可用于酶催化。图11显示了1∶2改性的金网电极上的光诱导的NADH电化学产生。图12显示了乙醛存在下，由醇脱氢酶(ADH，面包酵母，Sigma-Aldrich)引起的NADH的酶消耗。
在本发明的另一实施方案中，在所述电子转移溶液中加入了利用所述还原的电子受体NADH的酶生物化学系统，说明了对具有生物学活性的还原的电子受体的利用。如图16b所示，可将光电化学产生的NADH用于驱动乙醛向乙醇的酶学转化。在一定的条件下，所述过程对氧气，有机溶剂和其他化合物的抑制作用有耐受性。在替换的实施方案中，由本发明系统产生的诸如NAD(P)H的还原的电子受体可用于多种其他反应。
实施例1材料与制备在国家研究委员会(Saskatoon，SK，Canada)采用标准DNA合成方法合成并纯化了DNA，并对其纯度和特性进行验证。通过将固定在软质玻璃(soft glass)内的50μm Au丝熔化，然后用0.05μm氧化铝浆液抛光，再浸入热的Piranha浸蚀溶液(H2SO4∶H2O2＝3∶1)中10分钟来进行洗涤(操作Piranha浸蚀溶液应极其小心，且不能将其储存于密闭容器中，其是非常强的氧化剂，能与大多数有机材料剧烈反应)，最后在Millipore H2O中进行超声波处理，制备得到金电极。采用光学显微镜对每个电极进行检查，以确保所述Au电极表面光滑，并且在所述玻璃和所述Au之间形成了有效的密封。然后在0.5M H2SO4溶液中通过从电势-0.1到+1.25V vs.Ag/AgCl的循环扫描对所述电极进行电化学处理，直到在1.1V得到稳定的金氧化峰。
通过将所述微电极在含0.05mM双链DNA的50mM Tris-ClO4的缓冲溶液(pH8.6)中孵育5天，制备了FI-DNA改性的金电极。然后，如图1所示，将所述电极用相同的Tris-ClO4缓冲溶液进行清洗，并装备入光-电化学电池中。为了排除可能影响计时安培分析法的反电极反应，优选对所述反电极进行隔离。
光电流条件如下，将激光功率为4mW·cm-2，波长为473±5nm且光束直径小于0.8mm的BM73-4V激光模块(Intelite Inc.，Genoa，NV，USA)用作激发源。所述光电流实验是在采用连接到CV 203BUheadstage的Axopatch 200B放大器(Axon Instruments)的电位箝条件下进行的。将两电极配置用于电位箝条件，参考电极为1M KCl溶液中的Ag/AgCl丝，工作电极为改性的Au微电极。所述光谱电化学电池装入接地的法拉第笼子(Warner Instruments)中，并且放置于活化空气防振动(Kinetic System)台上。电流在1kHz通过低通贝塞尔滤波，并在5kHz由DigiData 1322A(Axon Instruments)进行数字化，并通过由PC控制的PClamp 9.0(Axon Instruments)纪录。进一步滤波是采用20Hz的低通滤波器通过软件方法实现的。对所有数据的分析是使用Origin7.0(OriginLab Corporation)进行的。其他的电化学测量是使用BASCV-50伏特计和为采用标准3电极配置的微电极定制的电化学系统进行的。所述金微电极(50μm直径)可作为工作电极。通过将Ag/AgCl丝密封入含有3M KCl并加盖(capped)有Vycor尖端(tip)的玻璃管中，构建了参比电极。通过含有所述电解质的鲁金毛细管(Luggin capillary)将所述参比电极从所述电池中隔离。所述反电极是铂丝。在进行测量之前，必须将全部电解质溶液在空气中净化(purge)至少20分钟，并且在测量过程中，在所述溶液上保持覆有Ar气氛。所有实施方案都示例性地在室温下进行。
X-射线光电子能谱法实施如下。将配备有Al-Ká辐射源(1486.6eV)的Leybold MAX200光电管分光计用于收集光电子发射光谱。在测量过程中，在所述分析舱中的底压一直保持在至少10-9mbar。所述出射角为60°。常规的仪器校正标准为Au 4f7/2峰(结合能84.0eV)。
电子顺磁共振(EPR)的实施如下。用配备了高灵敏度圆柱腔(Model4107WZ，Bruker Spectrospin)的Bruker ESP300 X-带场扫描分光计(共振频率约9.4GHz)记录所述EPR光谱。调制幅度为0.315G，微波功率为20mW，转化时间为41ms，时间常数为20.5ms，并记录了32次扫描。使用SimFonia软件进行EPR光谱的模拟。
结果与讨论所述荧光素标记的DNA(FI-DNA)的合成是使用标准氨基磷酸酯固体支持物在NRC，萨斯卡通，加拿大完成的。用于所述光电流实验的序列如表1所示。对所述碱基序列进行选择，以最小化可选的二级结构或三级结构，并且引入等量的每种碱基。进行DNA熔解研究来确认所述双链形式的存在/缺乏，并且确保所述荧光素的荧光团不会对双链的稳定性造成显著影响。1∶2双链的DNA熔解曲线相比2∶3的双链在Tm值上并无变化(56.8℃vs.56.4℃)，说明所述荧光素部分并没有显著干扰双链形成。
表1用于光电流研究的DNA序列 FI＝荧光素
所述1∶2双链与Au微电极在缓冲液中孵育5天，使得形成完整的单层。采用X-射线光电子能谱法(XPS)，椭圆光度法和电化学法对单层进行分析。Au4f7/2峰强度的变化可用来测定所述单层的厚度，并给出了47(5)的值，其说明1∶2并不能形成多层结构。正如对1∶2单层所预期的那样，在162eV出现的S2p峰是Au-硫醇键的证据。值得注意的是，预期1∶2的二硫键通过化学吸附到所述Au表面会发生断裂，并且未观察到二硫键的能峰(164.1eV)。此外，在134eV对P2p峰进行了测量，其对应于DNA的磷酸主链。所述XPS结果提供了清晰的证据，说明单层通过硫键接所述Au表面。椭圆光度法得到Au基体上的1∶2单层的厚度为47(3)。这一数值与之前的20-mer DNA的测量[53]吻合，并且与自身通过XPS得到的数值一致，说明所述DNA对所述表面具有相当大的倾角。
进行电化学试验来检测具有1∶2单层的荧光素的氧化还原电势。然而，由于所述荧光素氧化还原动力学的自身特性使得循环伏安法(CV)实验较复杂。所述电化学还原/氧化过于缓慢，而难以进行常规的CV分析。如图2a所示，尽管在荧光素存在下，CV与缺乏荧光素的情况下并不相同，但是却没有可辨别的还原峰。图2b所示为在黑暗中和受到辐射时荧光素的裸Au CV。当所述电极暴露于辐射时，会朝向更高正电流的方向发生较小的变化。复杂的情况是所述还原电势约为-750mV Vs Ag/AgCl，其相对接近所用pH条件下的质子还原电势。因此，由于所述缓慢的氧化还原动力学，且表观电位接近产生氢的电势，因此不可能有清晰的还原峰。其后果是表面覆盖值不能象对具有良好表现的氧化还原探针一样通过电化学定量。所述表面覆盖的近似值是使用相同的DNA双链得到的，除了用二茂铁(Fc)替换了荧光素。这种Fc单层的表面覆盖据报道为5×10-10mol·cm-2。运用阻抗光谱法(IS)来比较这两种单层(1∶2对比1-Fc∶2)，从而验证所述表面覆盖近似值是否有效。很明显，所述IS结果表明在所述相同条件下具有几乎相同的表现，因而所述表面覆盖值判定为在20％之内。
进行荧光素光谱电化学实验来提供实际光电流生成实验中所采用的光物质的证据。当施加幅度超过-750mV的电势时，所述光谱中UV-可见区域的光吸收显示出明显的改变。所述光谱变化如图3所示。所述荧光素吸收峰(492nm)的降低归因于所述荧光素(FI)还原成了荧光素阴离子(FI-)。FI-具有独特的光谱，与FI不同，表现为380-420nm和550-650nm范围的峰增加[55-57]。
伴随所述UV-可见光谱变化的是所述荧光素荧光光谱的降低。图3b所示的荧光素荧光强度的降低，说明FI-物质具有较低的荧光量子产率。该失活途径的降低可能是由电子转移(ET)失活途径的增长引起的。
对所述1∶2双链和荧光素的电化学EPR研究毫无疑义地证实了在高于-750mV的电势时，所述还原的FI作为荧光素阴离子自由基(FI-)。所述1∶2和荧光素的EPR光谱及其对应的模拟光谱如图4所示。所使用的模拟光谱数值见表2，并来自现有技术的参考文献[58-66]。
表2FI和FI-DNA质子的偶合常数和不成对自旋密度 如图5所示，对1∶2单层的辐射导致在施加-750mV的电势时，产生了光电流。当施加所述负电势时，假定存在适合的电子受体，则所述激发态的FI-自由基变得能传递电子，从而产生电流。在这个实施例中，将NADP+作为受体基团加入所述溶液中。重要的是，在产生光电流必需的电势区域中，NADP+并没有被电化学还原，因此所述电极上的NADP+电子受体也不可能还原。在缺乏NADP+(图6b)的情况下也观察到了光电流，但是在存在NADP+(图6a)的情况下光电流大幅增强。红色激光(632nm，10mW·cm-2)辐射则不会产生光电流(图6c)。
对光子合成的暗反应而言，NADP+是重要的化学能量储备，因此，可开发作为生物系统中的能量储备。图6a所示为由对所述单层的辐射所产生的电流对所施加电势的函数。所述电流在约-750mV时达到最大值，而在较低的外加电势则急剧下降。在-750mV值最大说明在辐射前所述荧光素被还原成其自由基阴离子，然后进行电子传递。如图6b所示，在所述入射激光和输出光电流之间存在线性关系。
通过反复暴露于激光对所述单层经受多次激光激发的可利用性进行了评估。如图7所示，所产生的光电流确实随着暴露次数的增加而减弱。然而，光电流降低的幅度却相对较小。
在含有NADP+的溶液和1∶2单层的条件下，340nm峰的生成证实在本发明系统中形成了NADPH(图8a)[68-70]。在电化学还原条件下通常形成NADP+二聚体，这些二聚体在340nm也有吸收峰[68-71]。
本发明一个方面的推定的光电流产生过程的示意图如图9所示。第一步(图10a)可能是电子从金表面通过DNA的双螺旋转移到共价结合的荧光素，从而将荧光素还原成自由基阴离子。所述荧光素自由基阴离子显示出具有特别长的寿命(以小时计算)。基于这个原因，FI-能存活足够长的时间来吸收光子。一旦所述荧光素自由基阴离子吸收了适当能量的光子(图10b)形成了激发态的荧光素自由基阴离子(图10c)，其随后可以通过向扩散的NADP+提供电子而返回基态。然而，NADP+是二电子受体。因此，相邻或甚至可能是相同的链被再次还原和激发，为所述NADP提供第二个电子。在该包含在水性介质中的系统内可促进NADP-的质子化。
方程1涉及作为光电化学过程的特征的量子效率的测量。量子效率(φ)可定义为参与所述光电化学反应的电子数(dNe-/dt，电子/秒)与每单位时间光活性分子吸收的光子数(dNhv/dt，光子/秒)的比率[7，8，12-14，16，21，24，30，32，33，36，37，40，72-76]。
在采用功率为4mW/cm2，λ＝473(5)nm的激光进行激发时，在-750mV(vs.Ag/AgCl)的外加电势下，FI-DNA标记的微电极可得到450nA.cm-2的光电流密度。假设FI-DNA在电极表面的摩尔吸光系数和在溶液中时相同(ε473，43 000 M-1 cm-1)；则所述量子效率的计算值为0.25(5)。该数值远远大于那些对卟啉SAM(0.1％)[35]，金表面上的含多层芘的系统(1％)[7]报导的数值，并且可与C60SAM系统中的数值[8，18，21-25]相比。
尽管在此公开了本发明的多种实施方案，本领域所属技术人员仍可根据本领域公知技术在本发明的范围之内进行诸多变换和修改。这些修改包括以基本相同的方法达到相同目的的，以公知的等价物对本发明任意方面进行的替换。数值范围包括用于限定该范围的数值。本文中所用的术语“包含(comprising)”是开放性的术语，基本上相当于术语“包括(including)，但不限于”，且术语“含有(comprises)”也具有相应的含义。除非特别说明，本文所用的单数形式“a”、“an”和“the”也包括了复数的情况。因此，例如，“物件(a thing)”可以包括超过一个这种物件。本文对参考文献的引用并未承认这些参考文献是本发明的现有技术。本说明书中引用的优先权文件和所有公开出版物，包括但不限于专利和专利申请，在此全文引入作为参考，其效力相当于对每一出版物单独且明确地说明将其引入作为参考，并且就像在本文中公开其全部内容一样。本发明还包括基本如前所述及参照所述实施例和附图的全部实施方案及变化。
实施例2材料和制备电极如前所述制备了金微电极(50μm直径)并对其进行表征[104]。金网购自Alfa Aesar(99.9％纯度，由0.1mm直径的细丝织成的52网)，点焊成0.1mm直径的Au(ibid)导线。通过将其浸入沸腾的Piranha溶液(H2O2∶H2SO4＝1∶3)中10分钟来对Au网组件进行洗涤(操作Piranha腐蚀溶液应极其小心，且不能将其储存于密闭容器中，其是非常强的氧化剂，能与大多数有机材料剧烈反应)。
荧光素-DNA构建体在国家研究委员会(Saskatoon，SK，Canada)采用标准DNA合成方法合成并纯化DNA。用于所述光电流实验的序列如表4所示。对所述碱基序列进行选择，以最小化可选的二级结构或三级结构，并且引入等量的每种碱基。
表4用于光电流研究的DNA序列。FI＝荧光素
FI-DNA改性的金电极的制备如前所述，将所述微电极和网电极在含0.05mM荧光素标记的双链DNA的50mM Tris-ClO4缓冲溶液(pH8.6)中孵育5天[104]。
光电流条件如图1所示，然后将所述电极用所述Tris-ClO4缓冲溶液进行清洗，并装备入光-电化学电池中。如果可行将NAD(P)+加至终浓度为2mM。为了排除可能影响计时安培分析法的反电极反应，必须对所述反电极进行隔离。将激光功率为4mW cm-2，波长为473±5nm且光束直径小于0.8mm的BM73-4V激光模块(Intelite Inc.，Genoa，NV，USA)用作激发源。光电流实验是在采用连接到CV 203BUheadstage的Axopatch 200B放大器(Axon Instruments)的电位箝条件下进行的。将两电极配置用于电位箝条件，参考电极为1M KCl溶液中的Ag/AgCl丝，工作电极为改性的Au微电极。所述光谱电化学电池装入接地的法拉第笼子(Warner Instruments)中，并且放置于活化空气防振动(Kinetic System)台上。
电流在1kHz通过低通贝塞尔滤波，并在5kHz由DigiData1322A(Axon Instruments)进行数字化，并通过由PC控制的PClamp9.0(Axon Instruments)纪录。需要进一步滤波，并采用20Hz的低通滤波器通过软件方法实现。对所有数据的分析是使用Origin7.0(OriginLab Corporation)进行的。其他的电化学测量是使用为采用标准3电极配置的微电极定制的恒电位仪进行的。所述金微电极(50μm直径)可作为工作电极。通过将Ag/AgCl丝密封入含有3M KCl并加盖有Vycor尖端的玻璃管中，构建了参比电极。通过含有所述电解质的鲁金毛细管将所述参比电极从所述电池中隔离。所述反电极是铂丝。在进行测量之前，必须将全部电解质溶液在Ar中净化(purge)至少20分钟，并且在测量过程中，在所述溶液上保持覆有Ar气氛。所有实验都在室温下进行。
结果与讨论通过电子转移，推断形成了稳定的发色团的自由基阴离子。然后可以通过辐射(473nm)激发所述发色团。通过这种方式，可以抑制反向电子传递。例如，可将荧光素(FI)选作所述发色团，并在适当的条件下使用，从而使其在适当的还原电势条件(-750mV vs Ag/AgCl)下形成具有较大吸光系数(ε473＝43 000 M-1 cm-1)的稳定的自由基阴离子。如图13所示，在该实施例中，所述发色团通过20碱基对的双链DNA借助硫醇键连接到所述金电极。所述DNA间隔基团可以帮助防止激发态的FI由于过于靠近所述电极表面而猝灭，同时所述DNA的半导体特性也可以协助电子从所述电极转移到所述发色团。如EPR光谱法所示(图4)，在外加电势为-750mV(vs.Ag/AgCl)的情况下，FI能形成所述阴离子自由基FI·-。可选择适合的电子受体来促进连续的电流流动。在示例性实施方案中，选择NAD(P)+(即NAD+或NADP+)作为电子受体，其还原电势高于所述发色团荧光素的还原电势。
如图14a所示，在473nm以4mW·cm-2的激光对所述微电极进行辐射产生了持续的电流，多次辐射时幅度仅有微小的降低。在缺乏NAD(P)+的情况下，如图14b所示，所述电流下降了至少50％。如图14c所示，使用荧光素不能吸收的波长的红色激光(632nm，10mW/cm2)，并未观察到电流。使用没有标记的荧光素DNA的单层不能产生光电流。NAD+和NADP+产生了相等的光电流量子产率。如图15a所示，在存在或缺乏NAD(P)+的情况下，在所述光子流的强度和电流输出之间存在线性关系。如图15b所示，所述电流在还原电势为-750mV时达到稳定水平，证明FI在辐射之前先被还原成其自由基阴离子，然后进行电子传递。
在FI激发的条件下，在外加电势为-750mV(vs.Ag/AgCl)的情况下，FI-DNA标记的微电极得到了450nA·cm-2的光电流密度。假设FI-DNA在电极表面的摩尔吸光系数和在溶液中时相同；则所述效率的计算值为4(1)光子·电子-1(相当于约25％的量子产率)。为了说明NAD(P)H的产生，用金网电极实施了大规模的实施方案，采用分光光度法对所述溶液进行监测。如图16a所示，存在340nm的UV-vis峰，其是NADH在受到辐射时显示的特征(ε340＝6220 M-1 cm-1)。已经证明，烟酰胺辅酶能够由单电子还原产生的自由基形成无生物活性的二聚体。为了证明NADH具有生物学活性并且不是二聚体，向所述溶液中加入醇脱氢酶和乙醛。如图16b所示，340nm的峰消失，证明光电化学生成的NADH能够进行酶学应用驱动乙醛向乙醇的转化。根据估计，所生成的同样具有340nm峰的无生物学活性的NAD+还原产物应该小于1％。
参考文献在此将以下文献引用作为参考[1]Miyasaka，T.，Atake，T.，Watanabe，T.，Chem.Lett.2003，32，144-5.Byrd，H.，Suponeva，E.P.，Bocarsly，A.B.，Thompson，M.E.，Nature 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权利要求
1.光电流发生系统，包括(a)提供电子转移部分，其通过传导性间隔部分连接到电极；(b)向所述电极施加偏置电压，以还原所述电子转移部分形成还原的电子转移物质，其能够吸收光子形成激发的电子转移物质；(c)提供电子接收部分，其能从所述激发的电子转移物质接收电子，形成还原的电子受体。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述电子接收部分位于电子转移溶液中。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述电子转移溶液为水溶液，其能向所述还原的电子受体提供质子。
4.如权利要求2所述的系统，其中将所述连接的电子转移部分浸入所述电子转移溶液中，用于供应所述溶液中在所述激活的电子转移物质和连续的电子接收部分之间的重复的电子转移反应。
5.如权利要求1所述的系统，其中施加于所述电极用以形成所述还原的电子转移物质的所述偏置电压低于形成所述还原的电子受体所需的电压。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述还原的电子转移物质的生成速率大于所述激发的电子转移物质向所述电子受体提供电子的速率。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述电子转移部分是荧光素。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述电极为金电极。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述传导性间隔部分是核酸。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述电子接收部分是NAD+或NADP+。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述电子转移溶液中还包括酶，且所述酶利用NADH或NADPH作为辅因子。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述酶是脱氢酶。
13.如权利要求11所述的系统，其中所述酶是醇脱氢酶。
14.如权利要求11所述的系统，其中所述酶是还原酶。
全文摘要
本发明提供了具有电子转移部分的系统，该电子转移部分通过传导性间隔部分连接到电极。向所述电极施加偏置电势，以还原所述电子转移部分形成还原的电子转移物质，其能够吸收光子形成激发的电子转移物质。电子接收部分从所述激发的电子转移物质接收电子，形成还原的电子受体。所述还原的电子受体可用于例如产生氢的反应。
文档编号B01J19/00GK1849166SQ200480025978
公开日2006年10月18日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月9日
发明者龙亿涛, 托德·C·萨瑟兰, 海因兹-伯恩哈德·克拉茨, 杰雷米·S·李 申请人:埃德南文斯科技公司