光电流发生器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于光化学电流发生装置领域。
技术介绍
已有多种金改性的表面被用于产生和分析光电流。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，卟啉，二茂铁，Ru(bipy)3和芘。在某些情况下，光电流的产生通过生物分子间隔基团介导。专利技术概述在可选择的方面，本专利技术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。在本专利技术的一些实施方案中，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，本专利技术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。附图的简要说明附图说明图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(而不必描述本专利技术实施方案运作的实际机理)。图10所示为本专利技术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)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由本专利技术的光反应提供，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(而不必描述本专利技术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。专利技术的详细说明一方面，本专利技术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。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，本专利技术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)。可选择的光子本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：埃德南文斯科技公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]