一种基于碳纳米管偶联藻红蛋白的新型材料及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于碳纳米管偶联藻红蛋白的新型材料及应用，所述新型材料由单壁碳纳米管和藻红蛋白共价连接而成，共价结合的新型材料使藻红蛋白与碳纳米管之间的距离缩小到了化学键的尺度；碳纳米管有更大表面积与藻红蛋白接触，并且游离状态下的新材料与电极表面的接触更加紧密，利用单壁碳纳米管优异的导电性，使得敏化半导体光阳极或金属光阳极在光照条件下的光电转化效率更高，极大的提高了太阳能电池的光电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳纳米管偶联藻红蛋白的新型材料及应用
本专利技术属于新材料
，具体涉及一种基于碳纳米管偶联藻红蛋白的新型材料及应用。
技术介绍
太阳能是最丰富的可持续的能源资源，地球的表面从太阳每年约获得4×1024J的太阳能。光合作用是一种古老而重要的化学反应过程。通过光合作用，太阳能被光合生物捕获，转化为能被活细胞直接利用的化学能。藻类是太阳能的重要捕获者，其每年利用太阳能固定的碳，约占全球生物太阳能固碳量的一半。藻类中对太阳能的高效利用主要归功于组成藻胆体这一光捕获体系的多种藻胆蛋白。这一能量传递过程的效率达到95％以上。20世纪90年代以来，具有低成本、环境友好、制作简单和良好应用前景的染料敏化太阳能电池(DSSC)受到研究者们的重视。特别是促进了科学家利用生物大分子组装染料敏化太阳能电池的研究和应用。染料敏化太阳能电池主要由导电基底层、二氧化钛纳米多孔电极层、染料敏化层、电解质和对电极几部分组成。到目前为止，很多生物染料敏化层被开发，虽然研究人员已经构建了大量的DSSC，但是其中仅有少数具有较好的应用潜力，其中一个亟待突破的瓶颈技术就是构建高光电转换效率的敏化染料。具有吸光系数高、吸收波长范围宽、量子转换效率高、环境友好等特点的藻胆蛋白是存在于蓝藻、红藻、隐藻和少数一些甲藻中的捕光色素蛋白，能把捕获的光能高效的传递给光系统反应中心，用于光合作用。其中，藻红蛋白(PE)是分布较广的藻胆蛋白。这些含有红色的藻红胆素的藻胆蛋白能够吸收从500nm到600nm范围内的可见光，并在535nm～615nm范围密集发射出红色荧光。与其它种类的藻胆蛋白相比，能够产生相对较强的光电流。这为染料敏化太阳能电池的研究和利用提供了良好的材料。由于藻红蛋白染料敏化层大多以液体形式存在，组装后容易造成蛋白变性等问题。碳纳米管(以下简称CNT)分为单壁碳纳米管(以下简称SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)，可以认为是笼型结构富勒烯分子在一维方向上的延伸，也可以认为是由石墨层卷曲而成的封闭管状结构。这一新型碳基纳米材料在可见及红外光范围内都具有较高的吸收，同时具有优秀的导电性与化学惰性，很难与其它分子发生作用，与之进行化学偶联是提高藻红蛋白的光稳定性和赋予更高光电转换效果的有效策略。因此修饰好的新型碳基纳米材料单壁碳纳米管可以作为载体，其极大的比表面积和中空结构使其能够装载大分子蛋白用于制备新型的光学敏化材料。公开号为CN102274510A的中国专利技术专利公开了一种碳纳米管-壳聚糖-藻蓝蛋白纳米粒的制备方法，首先用壳聚糖(CS)对羧基化多壁碳纳米管(MWCNT)进行非共价修饰后，再与藻蓝蛋白(PC)连接，形成MWCNT-CS-PC的连接结构，上述连接方式是通过壳聚糖中间连接的方式将多壁碳纳米管和藻蓝蛋白连接，其连接方式为非共价连接，存在不稳定的问题。公开号为101433720A的中国专利技术专利公开了一种肿瘤靶向碳纳米管药物载体及其制备，具体公开了在氧化碳纳米管(CONH)上共价键合有藻红蛋白(PE)标记的P-糖蛋白抗体(AntiP-gp)，其可作为小分子药物的运输载体，药物载体通过吸附作用装载小分子药物。但是该专利技术中的藻红蛋白的作用仅仅是对的P-糖蛋白抗体进行标记，具有识别能力的P-糖蛋白抗体和氧化碳纳米管以共价的方式键和，相对比较稳定，但是其结合方式为CONH-AntiP-gp-PE的结合形式。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于碳纳米管偶联藻红蛋白的新型材料及应用，将藻红蛋白与碳纳米管直接进行共价连接，用以解决非共价连接不稳定的问题。为实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案：一种基于碳纳米管偶联藻红蛋白的新型材料，所述新型材料由单壁碳纳米管和藻红蛋白共价连接而成，其由以下方法制备而得：(1)配制羧基化单壁碳纳米管分散液；优选为用去离子水配制，配制的浓度为1mg/mL。(2)步骤(1)的分散液超声分散15min-30min，然后分别加入溶解在PBS缓冲液中的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基硫代琥珀酰亚胺溶液，并置于室温下磁力搅拌8-24h；所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺与羧基化单壁碳纳米管的质量比为9-18∶1，所述N-羟基硫代琥珀酰亚胺与羧基化单壁碳纳米管的质量比为5-10∶1；所述PBS缓冲液是pH为7.0的50mM磷酸钠缓冲液；(3)然后向反应液中加入藻红蛋白，置于室温下磁力搅拌8-24h；所述藻红蛋白与羧基化单壁碳纳米管的质量比为10-20∶1；(4)样品在室温下，用透析法去除多余的EDC、NHS以及未偶联的藻红蛋白，即得。优选地，所述室温为20-25℃。用透析法去除多余的EDC、NHS以及未偶联的藻红蛋白时，透析时间为24h。本专利技术的另一目的是上述新型材料在光阳极中的应用。首先通过EDC和NHS将羧基化单壁碳纳米管与藻红蛋白进行反应，形成共价连接，达到在单壁碳纳米管上负载藻胆蛋白的目的，而后依赖静电力吸附和氢键相互作用在电极表面形成单层或多层吸附；敏化半导体或金属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。本专利技术具有如下优点：1.本专利技术是将藻红蛋白与碳纳米管直接进行连接，并且通过检测得知，两者的连接方式为共价连接，相对于非共价连接来讲，其稳定性更强。从而使连接的藻红蛋白结构更加稳定且具有更好的光电转换效果。2.本专利技术以单壁碳纳米管-藻红蛋白组合材料作为生物大分子太阳能敏化电池的阳极材料，制得的太阳能电池具有制作工艺简单，无毒，环境友好等优点。3.共价结合的新型材料使藻胆蛋白与碳纳米管之间的距离缩小到了化学键的尺度；碳纳米管有更大表面积与藻胆蛋白接触，并且游离状态下的新材料与电极表面的接触更加紧密，利用单壁碳纳米管优异的导电性，使得敏化半导体光阳极或金属光阳极在光照条件下的光电转化效率更高，极大的提高了太阳能电池的光电性能。附图说明图1是本专利技术单壁碳纳米管-藻红蛋白反应及连接关系示意图；图2是本专利技术以单壁碳纳米管-藻红蛋白共价连接材料的激光共聚焦显微镜图；图3是空白单壁碳纳米管的扫描电子显微镜图；图4是本专利技术中单壁碳纳米管-藻红蛋白共价连接材料的扫描电子显微镜图；图5是单壁碳纳米管的傅里叶红外光谱图；图6是本专利技术中单壁碳纳米管-藻红蛋白共价连接材料的傅里叶红外光谱图；图7是本专利技术中单壁碳纳米管-藻红蛋白组合材料的光阳极表面吸附蛋白的荧光光谱图；图8是本专利技术以单壁碳纳米管-藻红蛋白为敏化剂的光阳极表面蛋白吸附状态的激光共聚焦显微镜图；图9是本专利技术以单壁碳纳米管-藻红蛋白为敏化剂的光阳极表面蛋白吸附状态的扫描电子显微镜图；图10是敏化太阳能电池光伏特性图。具体实施方式下面将通过具体实施例对本专利技术进行详细的描述。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本专利技术，并且能够将本专利技术的范围完整的传达给本领域的技术人员。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳纳米管偶联藻红蛋白的新型材料，其特征在于，所述新型材料由单壁碳纳米管和藻红蛋白共价连接而成，其由以下方法制备而得：/n(1)配制羧基化单壁碳纳米管分散液；/n(2)将步骤(1)的分散液超声分散15min-30min后，向其分别加入溶解在PBS缓冲液中的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基硫代琥珀酰亚胺溶液，并置于室温下磁力搅拌8-24h；所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺与羧基化单壁碳纳米管的质量比为9-18∶1，所述N-羟基硫代琥珀酰亚胺与羧基化单壁碳纳米管的质量比为5-10∶1；所述PBS缓冲液是pH为7.0的50mM磷酸钠缓冲液；/n(3)然后向反应液中加入藻红蛋白，置于室温下磁力搅拌8-24h；所述藻红蛋白与羧基化单壁碳纳米管的重量比为10-20∶1；/n(4)样品在室温下，用透析法去除多余的EDC、NHS以及未偶联的藻红蛋白，即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于碳纳米管偶联藻红蛋白的新型材料，其特征在于，所述新型材料由单壁碳纳米管和藻红蛋白共价连接而成，其由以下方法制备而得：
(1)配制羧基化单壁碳纳米管分散液；
(2)将步骤(1)的分散液超声分散15min-30min后，向其分别加入溶解在PBS缓冲液中的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺和N-羟基硫代琥珀酰亚胺溶液，并置于室温下磁力搅拌8-24h；所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺与羧基化单壁碳纳米管的质量比为9-18∶1，所述N-羟基硫代琥珀酰亚胺与羧基化单壁碳纳米管的质量比为5-10∶1；所述PBS缓冲液是pH为7.0的50mM磷酸钠缓冲液；
(3)然后向反应液中加入藻红蛋白，置于室温下磁力搅拌8-24h；所述藻红蛋白与羧基化单壁碳纳米管的重量比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲洋，丁涓，刘欣亭，韦玉花，张振华，陈帅钰，李文军，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37