技术领域本发明属于生物技术及能源领域，具体涉及一种基因重组藻蓝胆素作为光学敏化材料的应用。
背景技术：
煤、石油、天然气等化石燃料相继被广泛开采，并广泛应用于人们的生产和生活之中。随着人们对能源需求的增加，这些人类赖以生存的不可再生能源，带来了日益严峻的能源危机和越来越严重的环境污染。一方面，这些能源是不可再生的。另一方面，这些化石燃料燃烧所产生的大量的二氧化碳气体，会造成温室效应，使全球气候变暖的速度加快。除此之外严重的环境污染，以及由开采导致的生态破坏问题，也同样威胁着人类和其他生物的生存面临全球能源消耗问题，太阳能越来越引起人们利用的兴趣。太阳能是一切能源的根本，也是我们可利用的、最直接最环保的能源。地球上光合作用是大自然进化出来的、高效利用和转化太阳能的装置，是规模最大的光子能量转换成化学能的过程。化石燃料(煤炭、石油和其他生物燃料)的化学能起源于几百万年前的光合作用，它们作为能源的大量开采应用，在地质历史时期的尺度上，瞬时逆转了亿万年的地质和能源演化过程。因此提倡“减少直接燃烧光合作用产物(化石燃料)的燃烧”、和开发“基于光合作用成功理论的新技术”。早在1974年，梅尔文·埃利斯·卡尔文就提出了利用光合作用的机理将光能转换成电能的想法。此模型是基于合成膜上的光电化学电池，在膜内类胡萝卜素起到导线的作用。光量子被附着于膜的一侧的增敏剂分子吸收后，一个电子转移到类胡萝卜素，然后扩散到膜的另一边，被电子受体捕获。植物或微藻光合捕光复合物捕获和传递光能是自然光合作用的起始步骤。相比于高等植物的只含叶绿素的捕光复合物，蓝藻的和红藻的捕光复合物藻胆体的捕获和传递光能的效率接近100％；在叶绿素捕光范围较弱的黄绿光区以及水下弱光环境中的蓝绿光区都有较强的吸收效果。2007年田纳西-诺克斯维尔大学的Lowe等(2007)优化了藻胆体在光电应用中的稳定性。González等(2010)以藻胆体为基础尝试组装成太阳能光伏器件。2010年于道永等用嗜温蓝藻的藻胆体耦合Chlorine6制备了染料敏化太阳能电池，效率达到0.47％；蒲洋等用来自嗜温蓝藻的重组别藻蓝蛋白三聚体(rAPC)作为光敏剂，制备了敏化太阳能电池，效率达到0.26％。虽然其光电效率较低，但是在太阳能发电高峰处，染料敏化太阳能电池(DSSC)可实现生产成本低于每瓦特0.5美元。证实了藻胆蛋白作为光敏材料应用的可行性。例如本申请人的早期专利CN201210330454公开了一种定向重组别藻蓝蛋白三聚体作为光学敏化材料的应用；CN201410471450公开了一种热稳定的光学敏化材料，琦光学敏化材料为嗜热蓝藻天然提取的完整藻胆体。然而无论藻胆蛋白还是藻胆体，都是色素-蛋白复合物，需要在电极表面正确定向组装才能形成良好的光电转换效率，另外，由于蛋白质在电极表面很容易变性，稳定性差等缺点，严重限制了其作为光敏材料的应用。因此染料敏化太阳能电池的许多组件仍需进行优化。我们使用天然色素作为染料敏化太阳能电池中的捕光色素，天然色素在DSSC中作光敏剂可以增强电池的性能和稳定性。分析藻胆蛋白的分子结构可以发现，藻胆蛋白分子中的藻胆色素是藻胆蛋白执行太阳光捕获和荧光发射、以及抗氧化、消炎等生物功能的主要功能基团。藻胆色素分子量仅为587Da，远小于藻胆蛋白的17-20kDa，且藻胆色素仅为小分子化合物，不含有蛋白质部分，因此在电极上的稳定性大大增强，而光谱吸收和荧光性质影响不大。相比于其他人工设计合成的化学敏化剂来讲，藻胆色素作为一种天然色素，还具有成本低廉，环境友好等优点。综合以上分析，根据其高的捕获传递光能的效率、广谱吸收范围和良好的热稳定性，我们尝试将其应用于光电转换器件的光学敏化材料，从而构建基于藻蓝胆素的生物染料敏化太阳能电池(Bio-DSSC)。生物染料敏化太阳能电池具有成本低,制作工艺简单，无毒，环境友好等其他太阳能电池无法媲美的优点。因此其利用价值必定能凸现出来，走向实用化，在当我们面对全球能源危机，重组藻蓝胆素这一敏化材料以期独特高效的光谱吸收和荧光性能必将在能源发电，转换和存储方面具有应用前景。并且在转化太阳能作为新一代的替代能源为人类提供充足的电力和社会可持续发展方面有着广泛的应用。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种低分子量、稳定性较好的光学敏化材料的应用。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种低分子量、热稳定强的光学敏化材料，光学敏化材料为表达藻蓝胆素的大肠杆菌体内提取的重组藻蓝胆素，该藻蓝胆素具有分子量小，化学性质稳定，具有高效的蓝绿光吸收性能及优良的荧光性质。所述的光学敏化材料为从表达藻蓝胆素的大肠杆菌中提取后，经制备型高效液相色谱仪纯化后的藻蓝胆素。藻蓝胆素经冷冻干燥后，溶解于乙醚中，然后即可吸附固定于纳米电极上，制备染料敏化太阳能电池。具体步骤为：(1)以实验室构建保存的菌株(该质粒可由专利CN201010264154.3制备得到，如pETDuet-ho1-pcyA、pET28a-ho1-pcyA、pCDFDuet-ho1-pcyA、pACYCDuet-ho1-pcyA)接种于5mL的LB培养基，37℃，培养12-16h；该步骤进一步优选为：以pET28a-pcyA-hox1质粒(该质粒可以催化大肠杆菌自身的底物，在Hox1和PcyA基因表达的酶催化下，转化为藻蓝胆素)接种于5mL的LB培养基，37℃，培养12-16h；(2)将上述步骤(1)所得到的大肠杆菌种子液按体积比为1％的量接种于1L的TB培养基中(含100ml10×TBsalt)，在37℃培养至OD600＝0.8～1.0后，降温至18℃，利用异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)作为诱导剂进行诱导，避光培养20h，8000g离心收集菌体，置于-80℃冰箱保存；(3)将上述步骤(2)收集到的菌体用甲醇，50℃条件下，悬浮萃取1-2小时，离心分离取上清液即得藻蓝胆素粗提液，将藻蓝胆素粗提液与等体积的氯仿和两倍体积的超纯水混合，萃取出多余的蛋白质，收集有机相液体，并加入含有100μL浓盐酸的10mL超纯水进行破乳，收集下层有机相液体，并用氮气吹干，得到低纯度藻蓝胆素干粉；(4)将(3)中的干粉溶于酸性甲醇(甲醇：浓盐酸＝95％：5％，甲醇使用色谱纯)，然后加入2倍体积的超纯水，使甲醇的终浓度达到30-35％，然后使用0.22μm的尼龙-66滤膜过滤。然后再经制备型HPLC进一步精制，得到高纯度的藻蓝胆素溶液，将藻蓝胆素溶液冷冻干燥或旋转蒸发除去多余水分，即得高纯度藻蓝胆素粉末产品。所述的制备型高效液相的流动相A和B分别为95％乙腈(含有0.1％三氟乙酸TFA)和超纯水(含0.1％TFA)，并按照表1进行梯度洗脱。表1分析型高效液相的梯度洗脱时间/min流动相A/％流动相B/％010005100088020403070500100550100561000(5)将步骤(4)中所制备的重组藻蓝胆素经冷冻干燥后，溶解于乙醚中，并作为光敏剂吸附在半导体电极表面。所述的藻蓝胆素分子，通过静电力吸附和氢键相互作用于半导体光阳极表面，完成电极对敏化材料的吸附，吸附有藻蓝胆素的电极在光照条件下完成太阳能到电能的转化。所述吸附有藻蓝胆素的电极，可作为太阳能电池或光学传感器的电极使用。所述电极组装过程是：将TiO2电极片(购自七色光科技，有效面积为0.24cm2)放入马弗炉中350℃煅烧40min活化电极。放入敏化溶液PCB-乙醚溶液中室温避光吸附敏化24h。将内孔尺寸为7mm的直径圆形Surlyn热封膜(膜厚约25μm)平铺在敏化好的TiO2电极，将镀Pt的FTO(掺杂氟的SnO2)玻璃的对电极压在上面，使TiO2区域和Pt区域对应，用长尾夹夹住电极，Surlyn热封膜使电极中间形成一定空间，可以滴加电解质。向Pt电极预留的小孔内滴加2.5μL电解质，由于毛细原理，电解质会在两个电极间扩散均匀。用圆形的Surlyn膜盖住小孔，防止电解质的挥发。封装好后的电池有效面积为0.24cm2(直径为5.5mm的TiO2区域)。而后立即进行测试I-V曲线，测量采用QuantithermLightMeterThermometer(Hansatech)进行光强校准，测量了100mW/cm2的光照强度。IPCE测量参数如下：偏置电压为0V，延迟时间0s，测量最大值1A，暗电流延迟30s，测量范围300-800nm，步长5nm，入射光和出射光狭缝均为2900nm，采用标准电池校准，测量不同电池的IPCE。本发明与现有技术相比，具有以下优点：1)藻蓝胆素，具有较高的量子效率，捕获和传递光能的效率接近100％；对蓝绿可见光波谱区具有较强吸收，拓宽了捕获光能的范围，特别适用于水下或暗环境中光能的捕获；2)本发明所用的光学敏化材料来自大肠杆菌的组合生物合成，可以降低从天然藻中提取藻蓝胆素的成本；3)与天然提取藻胆色素相比，大肠杆菌细胞不含有叶绿素、类胡萝卜素等其他光合色素，使得下游纯化过程变得更加简单，容易获得低成本、高纯度的藻蓝胆素；4)通过合适浓度的乙醚-藻蓝胆素溶液处理电极，而后采用室温真空干燥的方法，依赖静电力吸附和氢键相互作用在电极表面形成定向或非定向的单层或多层吸附；组装后，敏化半导体电极使之在光照条件下可以直接完成太阳能到电能的转化；利用纳米尺度的光阳极能更好的收集和传输电子，并且可以使用模块化技术降低成本，具有较高的光伏特性；5)本发明以大肠杆菌生物合成的藻蓝胆素作为敏化染料分子，太阳能敏化电池，具有效率高、无毒、环境友好、制作工艺简单节能等特点，而且成本低，可以进一步降低成本，开发潜力大。6)本发明敏化材料，敏化TiO2颗粒电极的方式处理半导体电极，而后采用室温抽真空干燥，依赖静电力吸附和氢键相互作用完成电极对敏化材料的吸附，而后组装为染料敏化太阳能电池，敏化半导体电极使之在光照条件下可以直接完成太阳能到电能的转化，实现其作为新型光学敏化材料的功能。将在太阳能利用，转换和存储方面具有应用广阔的前景，并且在转化太阳能作为新一代的替代能源，为人类提供充足的电力和社会可持续发展方面有着广泛的应用。附图说明图1为本发明实施例提供的敏化材料制备方法以及利用敏化材料进行生物太阳能电池或捕光器件组装的流程示意图。图2为本发明实施例提供的利用藻蓝胆素作为敏化材料敏化的太阳能电池的电流-电压特征曲线图(水平轴为时间(h)，纵轴分别为电流I(mA/cm2)、电压V(V)、填充因子FF和效率η(％))。(a)、(b)、(c)分别为60μM、100μM、160μMPCB的I-V曲线,由图2可以看出，60μM的藻蓝胆素敏化太阳能电池短路电流为0.93mA·cm-2，开路电压为0.48V，最大功率为0.286mW·cm-2，填充因子FF＝0.64，效率η＝0.286％。同理可得，100μM的藻蓝胆素敏化太阳能电池短路电流为0.65mA·cm-2，开路电压为0.50V，最大功率为0.238mW·cm-2，填充因子FF＝0.73，效率η＝0.24％。160μM的藻蓝胆素敏化太阳能电池短路电流为0.65mA·cm-2，开路电压为0.46V，最大功率为0.218mW·cm-2，填充因子FF＝0.73，效率η＝0.22％。对比发现，60μM藻蓝胆素的效率最好，随着浓度的增大，效率降低，填充因子升高。图3为本发明实施例提供的利用藻蓝胆素为敏化材料敏化的太阳能电池的IPCE曲线，(水平轴为测量的波长范围(nm),纵轴为IPCE值)。(a)(b)分别为100μM和160μM藻蓝胆素的IPCE曲线,可以看出在690nm处有一处吸收峰，IPCE和色素的吸收光谱比较相近，而在其他范围IPCE较低，说明在这些范围电池能更好的利用光能产生电能。而对比发现，高浓度藻蓝胆素的IPCE要比低浓度的略低。具体实施方式下面通过实施例具体说明本发明：本发明选择的光阳极的敏化材料来自基因工程大肠杆菌提取的藻蓝胆素，与天然提取藻蓝胆素相比，生产周期短，提取流程简单，节约能源；不同浓度的藻蓝胆素-乙醚溶液进行处理电极，而后采用室温真空干燥的方法，依赖静电力吸附和氢键相互作用在电极表面形成定向或非定向的单层或多层吸附；组装后，敏化半导体电极在光照条件下可以直接完成太阳能到电能的转化。实施例1：敏化材料藻蓝胆素的获得：实验室原本保存的pET28a-hox1-pcyA菌株(该菌株能够利用大肠杆菌体内的代谢产物heme，通过酶Hox1和PcyA催化，转化为藻蓝胆素)，按照20μL的接种量，将菌株接种于5ml液体无菌LB培养基中，37℃，170rpm,培养12-16h。然后按照体积比为1％接种量，将菌株接种于1L的TB培养基，37℃培养OD600至0.8-1.0，然后加入适量IPTG，低温18℃诱导，20h后收集菌体。藻蓝胆素的分离纯化：将上一步所得的大肠杆菌从-80℃冰箱中取出，根据样品量加入50-100mL甲醇，涡旋混匀，然后转入三口烧瓶中，三口瓶口用锡箔纸包住，50℃水浴1-2h。反应完毕在4℃，13000×g条件下高速离心20min。取上清液，同样条件下再离心一次，以完全除掉沉淀。用0.45μm滤膜和20mL注射器过滤，滤液用旋转蒸发仪悬蒸，至剩余约10mL液体。将上一步样品再次用0.45μm滤膜和20mL注射器过滤，滤液在4℃，13000×g条件下高速离心20min。取上清液，加入等体积的氯仿和二倍体积的超纯水，转入125mL分液漏斗，充分混合，静置5min。用干净的50mL烧杯收集下层液体。在烧杯中加入含有100μL浓盐酸(加入后既可以稳定藻蓝胆素，又可以起到破乳作用)的10mL超纯水，转入分液漏斗，充分混合后静置5min，用干净的50mL烧杯收集下层液体。将离心管口用封口膜包紧，针扎开数个孔，然后通入氮气将氯仿吹干。将所得样品置于-80℃超低温冰箱中保存。将上述藻蓝胆素粗制品，用30-35％甲醇溶解后，采用waters制备型液相色谱分离，分离柱为C-18反相色谱柱(4.6mm×150mm，5μm)。流动相A为H2O(含0.1％三氟乙酸)，流动相B为95％乙腈/超纯水(含0.1％的三氟乙酸)，进行梯度洗脱，从而得到高纯度的藻蓝胆素溶液。将藻蓝胆素溶液冷冻干燥或旋转蒸发除去多余水分，即得高纯度藻蓝胆素粉末产品将溶于酸性甲醇中(甲醇：浓盐酸＝95％：5％)的藻蓝胆素样品用超纯水(含0.1％TFA)稀释3倍，使用UVProbe紫外-可见分光光度计测量其吸收光谱，发现样品在360nm和665nm处有特征吸收峰。此步骤的目的是：为了获得高纯度的藻蓝胆素，抽真空干燥后，不至于形成杂蛋白沉淀，覆盖在敏化剂的表面，影响电池性能。所得电极在光照条件下可直接完成太阳能到电能的转化，即可作为太阳能电池或光学传感器的电极使用。实施例2光阳极的构建：光阳极是TiO2电极，通过大连七色光科技定做TiO2半导体膜厚度为1：1的“20nmTiO2单层膜(2μm)+200nmTiO2单层散射层(2μm)”。以上光阳极通过丝网印刷法制做，存在于FTO(掺杂氟的氧化锡)玻璃基板，单片电极玻璃尺寸为12×18mm，厚2.2mm。TiO2半导体膜尺寸6×6mm(有效面积0.36cm2)，是纳米多孔结构，孔径1-1000nm。光阳极的敏化：阳极电极于马弗炉(日本Yamato公司，Since1889型号马弗炉)中在350℃下加热30min室温下自然迅速冷却至50℃。立刻将二氧化钛阳极电极浸泡在PCB-乙醚敏化溶液中，于室温下在黑暗中吸附24h吸附后，用无水乙醇冲洗两边，除去不牢固的吸附，然后用纯水润湿擦镜纸，擦拭TiO2周围区域。最终藻蓝胆素通过静电力吸附和氢键相互作用于半导体光阳极表面，形成定向或非定向、单层或多层吸附层的电极。对电极是“有孔Pt电极”。购自大连七色光科技(DHS-Ed03)，每片电极玻璃尺寸为12×18mm，使用Pt浆料(PtSP)制做，Pt有效尺寸为8×8mm；预打孔，孔直径为1mm，用于电解质灌注；Pt印刷边缘距离玻璃边缘分别为2mm、2mm、2mm、8mm，孔距离12mm边的距离为2.5mm。以上对电极也存在于(FTO)玻璃基板。仿生太阳能转换装置的构建：敏化的光阳极和镀铂的对电极，通过直径为7mm的激光切割Surlyn热封膜(预切割内孔尺寸7mm×7mm，厚25微米，购自大连七色光科技DHS-SN1725-200)进行组装，中央形成密闭的空腔，二者错开便于夹电夹。将液体电解质溶液(自己配置，将0.5M的LiI，0.05MI2，0.3MDMPII，0.5M的4-TBP和0.1MGNCS共同溶于乙腈，褐色透明液体)大约2μL注入此空腔，毛细原理，电解液会扩散至整个TiO2电极。用封膜(购自大连七色光科技DHS-SN1725-200，DSC密封用薄膜，规格为厚度25μm)封住对电极的小孔，夹上电夹，而后立即进行测量。仿生太阳能转换装置的参数测量：在标准光照条件下(100mW/cm-2)，使用I-V太阳能电池测试系统(颐光CrownTech，美国)对太阳能电池的光伏特性进行了测试，包括短路电流，开路电压，填充因子和转换效率(参见表2)。表2藻蓝胆素敏化太阳能电池的太阳能电池参数实施实例3：1)藻蓝胆素的制备步骤同实施实例1所述。2)纳米多孔结构的金箔片作为光阳极，铂作为对电极。用乙醇，氯仿进行20分钟超声波振动处理后，UV臭氧消毒10分钟。金箔片电极被浸泡在藻蓝胆素的乙醚溶液室温下在黑暗中吸附24小时。吸附后，用去离子水漂洗敏化光阳极，除去不牢固的吸附，然后在氮气下干燥。3)藻蓝胆素生物太阳能电池或捕光器件的组装同实施例2所述。实施实例4：1)藻蓝胆素的制备步骤同实施实例1所述。2)纳米多孔结构的金箔片作为光阳极，铂作为对电极。用乙醇，氯仿进行20分钟超声波振动处理后，UV臭氧消毒10分钟。金箔片电极被浸泡在藻蓝胆素的乙醚溶液黑暗中利用真空冷冻干燥机干燥，在电极表面形成三聚体多层吸附。3)藻蓝胆素生物太阳能电池或捕光器件的组装同实施例2所述。