光電流發生器的製作方法

2023-10-05 13:36:04 3

專利名稱：光電流發生器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光化學電流發生裝置領域。
背景技術：
已有多種金改性的表面被用於產生和分析光電流[7-9]。藉助ITO或Au大電極(macroelectrode)，可將多種光子接收基團，或基團組合應用於光電流發生器，例如富勒烯，[6，8，11-32]卟啉，[5，6，8，9，11，13-16，20，21，23-25，29-31，33-44]二茂鐵，[5，8，13，23，24，29，36，42，45]Ru(bipy)3[29，46-48]和芘[7-9，45]。在某些情況下，光電流的產生通過生物分子間隔基團介導[7，49-52]。
發明概述在可選擇的方面，本發明提供了包括諸如螢光素的接收光子的電子轉移部分的系統，其中該電子轉移部分通過諸如核酸的傳導性間隔部分連接到電極(其可以是能進行電子轉導的任意表面，即電化學轉換器)。向所述電極施加偏置電勢以還原所述接收光子的電子轉移部分，從而形成還原的接收光子的電子轉移物質，例如FI-自由基，其能夠吸收光子形成激發的電子轉移物質。所述系統還具有電子接收部分，例如NAD或NADP，其能從所述激發的電子轉移物質接收電子，從而形成還原的電子受體，例如NADH或NADPH。所述電子接收部分可置於含有支持電子轉移的電解質的溶液中，該溶液可稱為電子轉移溶液，例如能向所述還原的電子受體提供質子的水溶液。可將所述連接的電子轉移部分浸入所述電子轉移溶液中，從而供應所述溶液中的所述激發的電子轉移物質和連續的電子接收部分之間的重複的電子轉移反應。可對該系統所用的電化學物質進行選擇，使得施加於所述電極用來形成所述還原的電子轉移物質的偏置電勢低於形成所述還原的電子受體所需的電勢，因而使得在所述電極上沒有發生電子轉移反應形成所述還原的電子受體的傾向。可對所述系統的組件進行選擇，從而使得所述還原的電子轉移物質的生成速率高於所述激發的電子轉移物質向所述電子受體供給電子的速率，從而使得當向所述電極施加適當的偏置電勢時，大部分所述電子轉移物質處於還原態，其易於吸收光子形成所述激發的電子轉移物質。
所述還原的電子受體可以用於例如產生氫的反應。
在本發明的一些實施方案中，可以向所述電子轉移溶液中加入能利用所述還原的電子受體如NAD(P)H的酶或其他化學或生物化學系統，來利用所述還原的電子受體。在這些實施方案中，所述還原的電子受體可以是例如有生物活性的酶輔因子。所述光電化學產生的輔因子可以進行例如酶學利用來驅動醛向醇的轉化，酮的還原，還原氨基化或有機酸的還原。因此，本發明的光化學再生的輔因子如NAD(P)H可用於驅動多種次級生物催化轉化，例如還原轉化或生物催化的酶級聯反應。
附圖的簡要說明

圖1所示為使用微電極產生光電流的實驗裝置的示意圖(如本文所述，替換實施例可使用多種電極構造以及表面類型)。
圖2所示為(a)在(a)在KOH中，及(b)在KOH和螢光素存在的條件下，在pH12，50mV·s-1時BAS大電極上的暗(Dark)電流CVs。(b)在pH8.6，50mV·s-1時開燈(-)和關燈(-)條件下微電極的CVs。參比電極為Ag/AgCl。
圖3所示為(a)在不同的電勢施加持續時間(vs.Ag/AgCI)i)0mV，ii)-750mV，1min，iii)-750mV，2min，iv)-750mV，3min，v)-750mV，6min，vi)-750mV，10min，vii)-750mV，20min的條件下螢光素的UV-可見吸收光譜；(b)在不同的電勢施加持續時間(vs.Ag/AgCl)i)0mV，ii)-750mV，1min，iii)-750mV，2min，iv)-750mV，3min，v)-750mV，4min的條件下螢光素的發射光譜。
圖4所示為(a)在-750mV(vs.Ag/AgCl)大量電解1小時之後的1∶2的ERP光譜；以及(b)模擬的1∶2的ERP光譜。
圖5所示為來自通過Au微電極上的1∶2單層產生光電流的實施例的數據，其中所示為(a)溶液中有NADP+；(b)溶液中沒有NADP+；以及(c)632nm輻射(功率＝10mW·cm-2)照射下的1∶2單層以及溶液中存在NADP+。
圖6所示為在缺乏NADP+(□)和存在NADP+(○)的情況下，(a)光電流響應對所施加的還原電勢的函數；以及(b)光電流響應對光強度的函數。
圖7顯示了多次激發響應，其表明光電流作為重複次數的函數有小幅降低。
圖8所示為在473nm輻射、4mW·cm-2和0.1mM NADP+溶液的條件下，來自Au網電極(mesh electrode)上的1∶2單層的光譜電化學數據。(a)在0mV(-)和-750mV(--)vs.Ag/AgCl條件下的基線NADP+；(b)為乳酸脫氫酶和丙酮酸加入前(--)和加入後(-)的UV-可見光譜。
圖9所示為光電流產生和NADP+還原的推定機理的示意圖，其僅出於概念性目的(而不必描述本發明實施方案運作的實際機理)。
圖10所示為本發明的氫發電機的示意圖，其中暗反應艙含有可利用還原的電子受體「NXH」(例如NADH[我們可以插入可選擇的煙醯胺衍生物的描述，如果你知道它們是什麼的話？])的氫化酶或其他催化劑來合成H2，其中所述還原的電子受體NXH由本發明的光反應提供，該光反應在與所述暗反應艙存在液體連接的光反應艙中進行，其中連接到電極(電化學傳導性表面)的光子受體(螢光團「F」)介導了所述NXH的合成。
圖11所示為在1∶2改性的金網電極上的光誘導的NADH電化學合成的UV-可見證據的示意圖。
圖12所示為在乙醛(acetylaldehyde)存在的條件下，顯示由醇脫氫酶(ADH，Baker’s Yeast，Sigma-Aldrich)引起的NADH酶消耗的UV-可見光譜的示意圖。
圖13所示為金電極上的螢光素標記的DNA的自組裝單層上的NADH光生成作用的推定機理的示意圖，其僅為概念性目的(而不必描述本發明實施方案運作的實際機理)。
圖14a-b所示為金電極上的所述自組裝單層在輻射下生成光電流的示意圖。(a)473nm含NAD+；(b)473nm無NAD+；632nm含NAD+。標尺(scaler)為Y＝200nA·cm-2，X＝20秒。
圖15a-b所示為(a)有NAD+(○)以及沒有NAD+(□)的條件下，電流密度對所述入射光強度的函數，以及(b)電流密度對所施加的電勢的函數。
圖16a-b所示為(a)從NAD+形成NADH光生成作用的分光光度分析。340nm的峰對應NADH的形成。每條曲線代表步長為5分鐘的輻射。比色杯的體積為0.12ml。以及(b)通過NADH-依賴的醇脫氫酶(0.5U/ml)的催化，利用NADH驅動乙醛(10mM)向乙醇的轉化。340nm處吸光度的降低對應NADH向NAD+的轉化。每條曲線代表了3分鐘步長。在缺乏乙醛或醇脫氫酶的情況下，光譜無變化。
發明的詳細說明一方面，本發明提供了從金微電極上的螢光素標記DNA的自組裝單層(SAM)產生光電流的系統。在這類實施方案中，螢光素作為光子受體(或螢光團)，DNA作為將所述光子受體或螢光團連接到所述電極表面的間隔基團。螢光素具有相對較大的摩爾吸光度，因而更容易吸收光子來進行後續反應[10]。在示例性的實施方案中，使用所述DNA間隔基團的部分原因是間隔物長度依賴性的研究證實較短的間隔基團其光電流降低，表明通過緊密接近電極表面可以使將激發狀態的螢光團其失活。在適應這些限制的情況下，本發明也可選用其他的螢光團和間隔基團。可選擇的間隔基團可包括，例如傳導性的聚合物，如多吡咯類，聚噻吩類，聚苯乙炔類，肽類，聚醯胺或肽核酸(PNAs)。可選擇的光子受體包括卟啉類，黃素類，泛醌類，醌類，二茂鐵，Ru(bipy)3，亞甲基蘭，亞甲基綠，MV+，芘和納米顆粒類(例如Au，Ag，CdSe，SdS，ZnSe，ZnS，Pd，Pt)。可選擇的基體可包括，例如，銦錫氧化物(ITO)，Ag，Pt和Si表面，其可形成為具有多種拓撲結構的表面，從微電極到大的平表面。基本透明的ITO電極組(electrode stack)可適用於提供穿過電子受體的電流，從而所述電子受體(例如NAD(P)H)從所述電極組的照射面進入，而還原的電子受體(例如NAD(P)H)則從所述電極組的無照射面離開，該過程中所述基本透明的電極組在所述電極組的整個深度範圍內都能協助對所述系統的照射。
如圖10所示，所述還原的電子受體可用於例如產生氫的反應中。如圖11和圖12所示，通過本發明系統生成的NADH可用於酶催化。圖11顯示了1∶2改性的金網電極上的光誘導的NADH電化學產生。圖12顯示了乙醛存在下，由醇脫氫酶(ADH，麵包酵母，Sigma-Aldrich)引起的NADH的酶消耗。
在本發明的另一實施方案中，在所述電子轉移溶液中加入了利用所述還原的電子受體NADH的酶生物化學系統，說明了對具有生物學活性的還原的電子受體的利用。如圖16b所示，可將光電化學產生的NADH用於驅動乙醛向乙醇的酶學轉化。在一定的條件下，所述過程對氧氣，有機溶劑和其他化合物的抑制作用有耐受性。在替換的實施方案中，由本發明系統產生的諸如NAD(P)H的還原的電子受體可用於多種其他反應。
實施例1材料與製備在國家研究委員會(Saskatoon，SK，Canada)採用標準DNA合成方法合成並純化了DNA，並對其純度和特性進行驗證。通過將固定在軟質玻璃(soft glass)內的50μm Au絲熔化，然後用0.05μm氧化鋁漿液拋光，再浸入熱的Piranha浸蝕溶液(H2SO4∶H2O2＝3∶1)中10分鐘來進行洗滌(操作Piranha浸蝕溶液應極其小心，且不能將其儲存於密閉容器中，其是非常強的氧化劑，能與大多數有機材料劇烈反應)，最後在Millipore H2O中進行超聲波處理，製備得到金電極。採用光學顯微鏡對每個電極進行檢查，以確保所述Au電極表面光滑，並且在所述玻璃和所述Au之間形成了有效的密封。然後在0.5M H2SO4溶液中通過從電勢-0.1到+1.25V vs.Ag/AgCl的循環掃描對所述電極進行電化學處理，直到在1.1V得到穩定的金氧化峰。
通過將所述微電極在含0.05mM雙鏈DNA的50mM Tris-ClO4的緩衝溶液(pH8.6)中孵育5天，製備了FI-DNA改性的金電極。然後，如圖1所示，將所述電極用相同的Tris-ClO4緩衝溶液進行清洗，並裝備入光-電化學電池中。為了排除可能影響計時安培分析法的反電極反應，優選對所述反電極進行隔離。
光電流條件如下，將雷射功率為4mW·cm-2，波長為473±5nm且光束直徑小於0.8mm的BM73-4V雷射模塊(Intelite Inc.，Genoa，NV，USA)用作激發源。所述光電流實驗是在採用連接到CV 203BUheadstage的Axopatch 200B放大器(Axon Instruments)的電位箝條件下進行的。將兩電極配置用於電位箝條件，參考電極為1M KCl溶液中的Ag/AgCl絲，工作電極為改性的Au微電極。所述光譜電化學電池裝入接地的法拉第籠子(Warner Instruments)中，並且放置於活化空氣防振動(Kinetic System)臺上。電流在1kHz通過低通貝塞爾濾波，並在5kHz由DigiData 1322A(Axon Instruments)進行數位化，並通過由PC控制的PClamp 9.0(Axon Instruments)紀錄。進一步濾波是採用20Hz的低通濾波器通過軟體方法實現的。對所有數據的分析是使用Origin7.0(OriginLab Corporation)進行的。其他的電化學測量是使用BASCV-50伏特計和為採用標準3電極配置的微電極定製的電化學系統進行的。所述金微電極(50μm直徑)可作為工作電極。通過將Ag/AgCl絲密封入含有3M KCl並加蓋(capped)有Vycor尖端(tip)的玻璃管中，構建了參比電極。通過含有所述電解質的魯金毛細管(Luggin capillary)將所述參比電極從所述電池中隔離。所述反電極是鉑絲。在進行測量之前，必須將全部電解質溶液在空氣中淨化(purge)至少20分鐘，並且在測量過程中，在所述溶液上保持覆有Ar氣氛。所有實施方案都示例性地在室溫下進行。
X-射線光電子能譜法實施如下。將配備有Al-Ká輻射源(1486.6eV)的Leybold MAX200光電管分光計用於收集光電子發射光譜。在測量過程中，在所述分析艙中的底壓一直保持在至少10-9mbar。所述出射角為60°。常規的儀器校正標準為Au 4f7/2峰(結合能84.0eV)。
電子順磁共振(EPR)的實施如下。用配備了高靈敏度圓柱腔(Model4107WZ，Bruker Spectrospin)的Bruker ESP300 X-帶場掃描分光計(共振頻率約9.4GHz)記錄所述EPR光譜。調製幅度為0.315G，微波功率為20mW，轉化時間為41ms，時間常數為20.5ms，並記錄了32次掃描。使用SimFonia軟體進行EPR光譜的模擬。
結果與討論所述螢光素標記的DNA(FI-DNA)的合成是使用標準氨基磷酸酯固體支持物在NRC，薩斯卡通，加拿大完成的。用於所述光電流實驗的序列如表1所示。對所述鹼基序列進行選擇，以最小化可選的二級結構或三級結構，並且引入等量的每種鹼基。進行DNA熔解研究來確認所述雙鏈形式的存在/缺乏，並且確保所述螢光素的螢光團不會對雙鏈的穩定性造成顯著影響。1∶2雙鏈的DNA熔解曲線相比2∶3的雙鏈在Tm值上並無變化(56.8℃vs.56.4℃)，說明所述螢光素部分並沒有顯著幹擾雙鏈形成。
表1用於光電流研究的DNA序列 FI＝螢光素
所述1∶2雙鏈與Au微電極在緩衝液中孵育5天，使得形成完整的單層。採用X-射線光電子能譜法(XPS)，橢圓光度法和電化學法對單層進行分析。Au4f7/2峰強度的變化可用來測定所述單層的厚度，並給出了47(5)的值，其說明1∶2並不能形成多層結構。正如對1∶2單層所預期的那樣，在162eV出現的S2p峰是Au-硫醇鍵的證據。值得注意的是，預期1∶2的二硫鍵通過化學吸附到所述Au表面會發生斷裂，並且未觀察到二硫鍵的能峰(164.1eV)。此外，在134eV對P2p峰進行了測量，其對應於DNA的磷酸主鏈。所述XPS結果提供了清晰的證據，說明單層通過硫鍵接所述Au表面。橢圓光度法得到Au基體上的1∶2單層的厚度為47(3)。這一數值與之前的20-mer DNA的測量[53]吻合，並且與自身通過XPS得到的數值一致，說明所述DNA對所述表面具有相當大的傾角。
進行電化學試驗來檢測具有1∶2單層的螢光素的氧化還原電勢。然而，由於所述螢光素氧化還原動力學的自身特性使得循環伏安法(CV)實驗較複雜。所述電化學還原/氧化過於緩慢，而難以進行常規的CV分析。如圖2a所示，儘管在螢光素存在下，CV與缺乏螢光素的情況下並不相同，但是卻沒有可辨別的還原峰。圖2b所示為在黑暗中和受到輻射時螢光素的裸Au CV。當所述電極暴露於輻射時，會朝向更高正電流的方向發生較小的變化。複雜的情況是所述還原電勢約為-750mV Vs Ag/AgCl，其相對接近所用pH條件下的質子還原電勢。因此，由於所述緩慢的氧化還原動力學，且表觀電位接近產生氫的電勢，因此不可能有清晰的還原峰。其後果是表面覆蓋值不能象對具有良好表現的氧化還原探針一樣通過電化學定量。所述表面覆蓋的近似值是使用相同的DNA雙鏈得到的，除了用二茂鐵(Fc)替換了螢光素。這種Fc單層的表面覆蓋據報導為5×10-10mol·cm-2。運用阻抗光譜法(IS)來比較這兩種單層(1∶2對比1-Fc∶2)，從而驗證所述表面覆蓋近似值是否有效。很明顯，所述IS結果表明在所述相同條件下具有幾乎相同的表現，因而所述表面覆蓋值判定為在20％之內。
進行螢光素光譜電化學實驗來提供實際光電流生成實驗中所採用的光物質的證據。當施加幅度超過-750mV的電勢時，所述光譜中UV-可見區域的光吸收顯示出明顯的改變。所述光譜變化如圖3所示。所述螢光素吸收峰(492nm)的降低歸因於所述螢光素(FI)還原成了螢光素陰離子(FI-)。FI-具有獨特的光譜，與FI不同，表現為380-420nm和550-650nm範圍的峰增加[55-57]。
伴隨所述UV-可見光譜變化的是所述螢光素螢光光譜的降低。圖3b所示的螢光素螢光強度的降低，說明FI-物質具有較低的螢光量子產率。該失活途徑的降低可能是由電子轉移(ET)失活途徑的增長引起的。
對所述1∶2雙鏈和螢光素的電化學EPR研究毫無疑義地證實了在高於-750mV的電勢時，所述還原的FI作為螢光素陰離子自由基(FI-)。所述1∶2和螢光素的EPR光譜及其對應的模擬光譜如圖4所示。所使用的模擬光譜數值見表2，並來自現有技術的參考文獻[58-66]。
表2FI和FI-DNA質子的偶合常數和不成對自旋密度 如圖5所示，對1∶2單層的輻射導致在施加-750mV的電勢時，產生了光電流。當施加所述負電勢時，假定存在適合的電子受體，則所述激發態的FI-自由基變得能傳遞電子，從而產生電流。在這個實施例中，將NADP+作為受體基團加入所述溶液中。重要的是，在產生光電流必需的電勢區域中，NADP+並沒有被電化學還原，因此所述電極上的NADP+電子受體也不可能還原。在缺乏NADP+(圖6b)的情況下也觀察到了光電流，但是在存在NADP+(圖6a)的情況下光電流大幅增強。紅色雷射(632nm，10mW·cm-2)輻射則不會產生光電流(圖6c)。
對光子合成的暗反應而言，NADP+是重要的化學能量儲備，因此，可開發作為生物系統中的能量儲備。圖6a所示為由對所述單層的輻射所產生的電流對所施加電勢的函數。所述電流在約-750mV時達到最大值，而在較低的外加電勢則急劇下降。在-750mV值最大說明在輻射前所述螢光素被還原成其自由基陰離子，然後進行電子傳遞。如圖6b所示，在所述入射雷射和輸出光電流之間存在線性關係。
通過反覆暴露於雷射對所述單層經受多次雷射激發的可利用性進行了評估。如圖7所示，所產生的光電流確實隨著暴露次數的增加而減弱。然而，光電流降低的幅度卻相對較小。
在含有NADP+的溶液和1∶2單層的條件下，340nm峰的生成證實在本發明系統中形成了NADPH(圖8a)[68-70]。在電化學還原條件下通常形成NADP+二聚體，這些二聚體在340nm也有吸收峰[68-71]。
本發明一個方面的推定的光電流產生過程的示意圖如圖9所示。第一步(圖10a)可能是電子從金表面通過DNA的雙螺旋轉移到共價結合的螢光素，從而將螢光素還原成自由基陰離子。所述螢光素自由基陰離子顯示出具有特別長的壽命(以小時計算)。基於這個原因，FI-能存活足夠長的時間來吸收光子。一旦所述螢光素自由基陰離子吸收了適當能量的光子(圖10b)形成了激發態的螢光素自由基陰離子(圖10c)，其隨後可以通過向擴散的NADP+提供電子而返回基態。然而，NADP+是二電子受體。因此，相鄰或甚至可能是相同的鏈被再次還原和激發，為所述NADP提供第二個電子。在該包含在水性介質中的系統內可促進NADP-的質子化。
方程1涉及作為光電化學過程的特徵的量子效率的測量。量子效率(φ)可定義為參與所述光電化學反應的電子數(dNe-/dt，電子/秒)與每單位時間光活性分子吸收的光子數(dNhv/dt，光子/秒)的比率[7，8，12-14，16，21，24，30，32，33，36，37，40，72-76]。
在採用功率為4mW/cm2，λ＝473(5)nm的雷射進行激發時，在-750mV(vs.Ag/AgCl)的外加電勢下，FI-DNA標記的微電極可得到450nA.cm-2的光電流密度。假設FI-DNA在電極表面的摩爾吸光係數和在溶液中時相同(ε473，43 000 M-1 cm-1)；則所述量子效率的計算值為0.25(5)。該數值遠遠大於那些對卟啉SAM(0.1％)[35]，金表面上的含多層芘的系統(1％)[7]報導的數值，並且可與C60SAM系統中的數值[8，18，21-25]相比。
儘管在此公開了本發明的多種實施方案，本領域所屬技術人員仍可根據本領域公知技術在本發明的範圍之內進行諸多變換和修改。這些修改包括以基本相同的方法達到相同目的的，以公知的等價物對本發明任意方面進行的替換。數值範圍包括用於限定該範圍的數值。本文中所用的術語「包含(comprising)」是開放性的術語，基本上相當於術語「包括(including)，但不限於」，且術語「含有(comprises)」也具有相應的含義。除非特別說明，本文所用的單數形式「a」、「an」和「the」也包括了複數的情況。因此，例如，「物件(a thing)」可以包括超過一個這種物件。本文對參考文獻的引用並未承認這些參考文獻是本發明的現有技術。本說明書中引用的優先權文件和所有公開出版物，包括但不限於專利和專利申請，在此全文引入作為參考，其效力相當於對每一出版物單獨且明確地說明將其引入作為參考，並且就像在本文中公開其全部內容一樣。本發明還包括基本如前所述及參照所述實施例和附圖的全部實施方案及變化。
實施例2材料和製備電極如前所述製備了金微電極(50μm直徑)並對其進行表徵[104]。金網購自Alfa Aesar(99.9％純度，由0.1mm直徑的細絲織成的52網)，點焊成0.1mm直徑的Au(ibid)導線。通過將其浸入沸騰的Piranha溶液(H2O2∶H2SO4＝1∶3)中10分鐘來對Au網組件進行洗滌(操作Piranha腐蝕溶液應極其小心，且不能將其儲存於密閉容器中，其是非常強的氧化劑，能與大多數有機材料劇烈反應)。
螢光素-DNA構建體在國家研究委員會(Saskatoon，SK，Canada)採用標準DNA合成方法合成並純化DNA。用於所述光電流實驗的序列如表4所示。對所述鹼基序列進行選擇，以最小化可選的二級結構或三級結構，並且引入等量的每種鹼基。
表4用於光電流研究的DNA序列。FI＝螢光素
FI-DNA改性的金電極的製備如前所述，將所述微電極和網電極在含0.05mM螢光素標記的雙鏈DNA的50mM Tris-ClO4緩衝溶液(pH8.6)中孵育5天[104]。
光電流條件如圖1所示，然後將所述電極用所述Tris-ClO4緩衝溶液進行清洗，並裝備入光-電化學電池中。如果可行將NAD(P)+加至終濃度為2mM。為了排除可能影響計時安培分析法的反電極反應，必須對所述反電極進行隔離。將雷射功率為4mW cm-2，波長為473±5nm且光束直徑小於0.8mm的BM73-4V雷射模塊(Intelite Inc.，Genoa，NV，USA)用作激發源。光電流實驗是在採用連接到CV 203BUheadstage的Axopatch 200B放大器(Axon Instruments)的電位箝條件下進行的。將兩電極配置用於電位箝條件，參考電極為1M KCl溶液中的Ag/AgCl絲，工作電極為改性的Au微電極。所述光譜電化學電池裝入接地的法拉第籠子(Warner Instruments)中，並且放置於活化空氣防振動(Kinetic System)臺上。
電流在1kHz通過低通貝塞爾濾波，並在5kHz由DigiData1322A(Axon Instruments)進行數位化，並通過由PC控制的PClamp9.0(Axon Instruments)紀錄。需要進一步濾波，並採用20Hz的低通濾波器通過軟體方法實現。對所有數據的分析是使用Origin7.0(OriginLab Corporation)進行的。其他的電化學測量是使用為採用標準3電極配置的微電極定製的恆電位儀進行的。所述金微電極(50μm直徑)可作為工作電極。通過將Ag/AgCl絲密封入含有3M KCl並加蓋有Vycor尖端的玻璃管中，構建了參比電極。通過含有所述電解質的魯金毛細管將所述參比電極從所述電池中隔離。所述反電極是鉑絲。在進行測量之前，必須將全部電解質溶液在Ar中淨化(purge)至少20分鐘，並且在測量過程中，在所述溶液上保持覆有Ar氣氛。所有實驗都在室溫下進行。
結果與討論通過電子轉移，推斷形成了穩定的發色團的自由基陰離子。然後可以通過輻射(473nm)激發所述發色團。通過這種方式，可以抑制反向電子傳遞。例如，可將螢光素(FI)選作所述發色團，並在適當的條件下使用，從而使其在適當的還原電勢條件(-750mV vs Ag/AgCl)下形成具有較大吸光係數(ε473＝43 000 M-1 cm-1)的穩定的自由基陰離子。如圖13所示，在該實施例中，所述發色團通過20鹼基對的雙鏈DNA藉助硫醇鍵連接到所述金電極。所述DNA間隔基團可以幫助防止激發態的FI由於過於靠近所述電極表面而猝滅，同時所述DNA的半導體特性也可以協助電子從所述電極轉移到所述發色團。如EPR光譜法所示(圖4)，在外加電勢為-750mV(vs.Ag/AgCl)的情況下，FI能形成所述陰離子自由基FI·-。可選擇適合的電子受體來促進連續的電流流動。在示例性實施方案中，選擇NAD(P)+(即NAD+或NADP+)作為電子受體，其還原電勢高於所述發色團螢光素的還原電勢。
如圖14a所示，在473nm以4mW·cm-2的雷射對所述微電極進行輻射產生了持續的電流，多次輻射時幅度僅有微小的降低。在缺乏NAD(P)+的情況下，如圖14b所示，所述電流下降了至少50％。如圖14c所示，使用螢光素不能吸收的波長的紅色雷射(632nm，10mW/cm2)，並未觀察到電流。使用沒有標記的螢光素DNA的單層不能產生光電流。NAD+和NADP+產生了相等的光電流量子產率。如圖15a所示，在存在或缺乏NAD(P)+的情況下，在所述光子流的強度和電流輸出之間存在線性關係。如圖15b所示，所述電流在還原電勢為-750mV時達到穩定水平，證明FI在輻射之前先被還原成其自由基陰離子，然後進行電子傳遞。
在FI激發的條件下，在外加電勢為-750mV(vs.Ag/AgCl)的情況下，FI-DNA標記的微電極得到了450nA·cm-2的光電流密度。假設FI-DNA在電極表面的摩爾吸光係數和在溶液中時相同；則所述效率的計算值為4(1)光子·電子-1(相當於約25％的量子產率)。為了說明NAD(P)H的產生，用金網電極實施了大規模的實施方案，採用分光光度法對所述溶液進行監測。如圖16a所示，存在340nm的UV-vis峰，其是NADH在受到輻射時顯示的特徵(ε340＝6220 M-1 cm-1)。已經證明，煙醯胺輔酶能夠由單電子還原產生的自由基形成無生物活性的二聚體。為了證明NADH具有生物學活性並且不是二聚體，向所述溶液中加入醇脫氫酶和乙醛。如圖16b所示，340nm的峰消失，證明光電化學生成的NADH能夠進行酶學應用驅動乙醛向乙醇的轉化。根據估計，所生成的同樣具有340nm峰的無生物學活性的NAD+還原產物應該小於1％。
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權利要求
1.光電流發生系統，包括(a)提供電子轉移部分，其通過傳導性間隔部分連接到電極；(b)向所述電極施加偏置電壓，以還原所述電子轉移部分形成還原的電子轉移物質，其能夠吸收光子形成激發的電子轉移物質；(c)提供電子接收部分，其能從所述激發的電子轉移物質接收電子，形成還原的電子受體。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述電子接收部分位於電子轉移溶液中。
3.如權利要求2所述的系統，其中所述電子轉移溶液為水溶液，其能向所述還原的電子受體提供質子。
4.如權利要求2所述的系統，其中將所述連接的電子轉移部分浸入所述電子轉移溶液中，用於供應所述溶液中在所述激活的電子轉移物質和連續的電子接收部分之間的重複的電子轉移反應。
5.如權利要求1所述的系統，其中施加於所述電極用以形成所述還原的電子轉移物質的所述偏置電壓低於形成所述還原的電子受體所需的電壓。
6.如權利要求1所述的系統，其中所述還原的電子轉移物質的生成速率大於所述激發的電子轉移物質向所述電子受體提供電子的速率。
7.如權利要求1所述的系統，其中所述電子轉移部分是螢光素。
8.如權利要求1所述的系統，其中所述電極為金電極。
9.如權利要求1所述的系統，其中所述傳導性間隔部分是核酸。
10.如權利要求1所述的系統，其中所述電子接收部分是NAD+或NADP+。
11.如權利要求10所述的系統，其中所述電子轉移溶液中還包括酶，且所述酶利用NADH或NADPH作為輔因子。
12.如權利要求11所述的系統，其中所述酶是脫氫酶。
13.如權利要求11所述的系統，其中所述酶是醇脫氫酶。
14.如權利要求11所述的系統，其中所述酶是還原酶。
全文摘要
本發明提供了具有電子轉移部分的系統，該電子轉移部分通過傳導性間隔部分連接到電極。向所述電極施加偏置電勢，以還原所述電子轉移部分形成還原的電子轉移物質，其能夠吸收光子形成激發的電子轉移物質。電子接收部分從所述激發的電子轉移物質接收電子，形成還原的電子受體。所述還原的電子受體可用於例如產生氫的反應。
文檔編號B01J19/00GK1849166SQ200480025978
公開日2006年10月18日 申請日期2004年9月9日 優先權日2003年9月9日
發明者龍億濤, 託德·C·薩瑟蘭, 海因茲-伯恩哈德·克拉茨, 傑雷米·S·李 申請人:埃德南文斯科技公司