[发明专利]产生葡萄糖的电化学方法和系统

说明书

描述了一种用于产生葡萄糖和葡萄糖前体的电化学方法和系统。所述方法和系统仅需要黑色素、或其前体、其衍生物、其类似物、或其变体、以及电磁能(如可见或不可见的光能)，即可使得二氧化碳和水产生葡萄糖。

发明领域

本发明涉及产生葡萄糖的方法和系统，具体地，本发明涉及利用水、二氧化碳、电磁能量、黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物或黑色素变体来产生葡萄糖。

发明背景

葡萄糖是单糖，其化学通式为C₆H₁₂O₆。葡萄糖是食物链的基本分子，并且是许多生物的主要能量来源，一个产生葡萄糖的经充分研究的过程是植物的光合作用。

一般来说，光合作用是将光能转化为化学能的过程。更具体地，通过光合作用，植物利用光能，将二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)转化为氧气(O₂)和葡萄糖。该过程的另一重要成分是被称为叶绿素的色素。叶绿素通过吸收光能或光子，从而启动光合作用。对于每一个吸收的光子，叶绿素会失去一个电子，产生电子流，其随后产生必要的能量，以催化裂解水为氢离子或质子(H⁺)和O₂。所得的质子梯度用来产生三磷酸腺苷(ATP)形式的化学能。该化学能随后用于将二氧化碳和水转化为葡萄糖。

与叶绿素相似，黑色素也属于色素。黑色素由氮、氧、氢和碳组成，然而其确切的结构并未被完全阐明。黑色素在自然界普遍存在，并且其合成方法在文献中已知。许多年来，黑色素除了被认为是等同于2％的硫酸铜溶液的具有低保护因子的简单防晒品之外，其本身没有生物或生理功能。黑色素还被认为是最黑的分子，因为它能够吸收几乎所有波长的能量，但是它似乎并不释放任何能量。该特性对于黑色素来说是独特的，其与热力学定律相矛盾，因为其他能够吸收能量的化合物(尤其是色素)能够释放一部分的吸收能。黑色素的电子性能由此成为相当长一段时间关注的焦点。然而，黑色素为人们已知的最为稳定的化合物之一，并且很长一段时间，似乎黑色素并不能催化任何化学反应。

近年来，人们发现了黑色素能够吸收能量，并且利用吸收的能量裂解、重构水分子的固有特性。因此，黑色素吸收所有波长的电磁能(包括可见和不可见的光能)，它能够借助水裂解以及随后的重构来消散这种吸收的能量。用黑色素及其类似物、其前体、其衍生物或其变体将水裂解为氢和氧的光电化学过程，在美国专利申请号为US 2011/0244345的专利申请中有所描述。

不希望受任何理论束缚，据信，黑色素的反应如下述方案I所示。

一旦吸收电磁能(可见或不可见)，黑色素就催化水裂解为双原子氢(H₂)、双原子氧(O₂)和电子(e)。尽管水裂解为氢和氧会消耗能量，然而该反应是可逆的，并且在逆向反应中，氧原子在双原子氢的还原下，重新形成为水分子，释放能量。

因此，黑色素可以将光能转化为化学能，与植物在光合作用过程中利用叶绿素将光能转化为化学能类似。因而，基于类似的效果，我们将该过程命名为为“人工光合作用”。然而，黑色素参与的水裂解反应与叶绿素参与的水裂解反应至少有2个重要方面的不同之处。其一，叶绿素不能催化水分子重构的逆向过程。其二，叶绿素催化的水裂解反应只能在活细胞中进行，并且需要波长范围400nm－700nm的可见光。因此，随后葡萄糖的生成也只能在活细胞内进行。相比之下，黑色素可以利用任何形式的电磁能(尤其是波长在200nm－900nm之间的光能(可见或不可见))在活细胞外水解、重构水分子。

发明概述

现在已发现，一旦吸收电磁能，例如不可见或可见的光能，黑色素可以裂解或重构水分子，并且随后催化二氧化碳(CO₂)和水生成葡萄糖的反应。