[发明专利]一种基因重组藻蓝胆素作为光学敏化材料及其应用

说明书

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。

发明内容

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：