類囊體膜是進行光合作用原初光能轉化的場所，包括四種重要的光合膜蛋白複合物：光係統(PS)I、PSII、細胞色素b6/f和ATP合酶複合物，在其中植物能夠完成捕獲光能並轉化成化學能的過程[1]。利用光合膜蛋白進行電荷分離產生光電流的特性，研究者將分離的類囊體膜[2]、PSI[3-4]、PSII複合物[5]、細菌反應中心[6-7]等光合膜蛋白組裝成光電器件，為製備新型生物太陽能電池奠定了基礎，但這些光合膜蛋白器件的光電轉化效率很低，且穩定性也有待提高。

LB(Langmuir-Blodgett)膜技術是獲得有序排列的光合膜蛋白單分子層的重要手段，在單分子層上蛋白複合物高度有序的結構，保證了色素分子之間能夠進行有效的能量傳遞，並有助於使複合物具有較高的光熱穩定性[8]。何靳安等[9]將R-藻紅蛋白(R-PE)單分子膜通過LB技術製備在SnO2光學透明電極(OTE)上，組成的光電池能夠產生光生電流，具有較好的光學穩定性。

石蓴(Ulva lactuca)是一類常見的潮間帶大型海洋綠藻，已有研究表明石蓴對光和溫度等環境變動具有較強的耐受性[10-11]。此外，本課題組的前期研究也表明，與菠菜相比石蓴的類囊體膜蛋白具有更高的熱穩定性。本研究嚐試用LB膜技術分別將菠菜和海洋綠藻石蓴的類囊體膜固定在納米ZnO上，組裝成光電池，並且比較了其光電性質，以期為開發穩定性和效率更高的生物光電器件提供參考。

1材料與方法

1.1菠菜和石蓴類囊體膜的製備

菠菜類囊體膜的分離方法按照Berthold等[12]的方法加以改進。取新鮮菠菜葉片除去葉柄、葉脈，清洗幹淨，在4℃下暗適應放置5 h以上。在含20 mmol/L Tris-HCl(pH 7.8)，0.4 mol/L蔗糖，5 mmol/L NaCl，2 mmol/L EDTA的緩衝液中用搗碎機搗碎葉片，並用紗布過濾，所得濾液於220g離心2 min;上清液於1 500g離心10 min;沉澱加入含20 mmol/L Tris-HCl(pH 7.8)，5 mmol/L MgCl2·6H2O，15 mmol/L NaCl的緩衝液懸浮勻漿，200g離心2 min去沉澱;上清液5 000g離心15 min，沉澱用含20 mmol/L MES pH 6.5，0.4 mol/L蔗糖，35 mmol/L NaCl的保存緩衝液懸浮勻漿，即為菠菜類囊體膜。

石蓴采自青島金沙灘，將新鮮葉片清洗幹淨並用蒸餾水洗兩遍，加入含20 mmol/L Tris-HCl(pH 7.8)，0.2 mol/L蔗糖，10 mmol/L NaCl，2 mmol/L EDTA的緩衝液用搗碎機破碎，紗布過濾後所得濾液於220g離心2 min，上清液於10 000g離心10 min;沉澱用含10 mmol/L Tris-HCl(pH 7.8)的緩衝液懸浮勻漿，250g離心2 min去沉澱;上清液12 000g離心15 min，沉澱用含20 mmol/L MES pH 6.5，0.4 mol/L蔗糖，35 mmol/L NaCl的保存緩衝液懸浮勻漿，並注意將白色澱粉部分去除，所得為石蓴類囊體膜。

1.2 SDS-PAGE分析

SDS-PAGE分析在NuPAGE 4%～12%Bis-Tris Mini Gel預製膠(Invitrogen，USA)上進行。在樣品中加入NuPAGE LDS sample Buffer和NuPAGE Reducing Agent(Invitrogen)，70℃加熱10 min，短暫離心後上樣，每孔道上樣20μL，200 V恒電壓電泳。凝膠用考馬斯亮藍R-250染色。

1.3納米ZnO的製備

把摻氟氧化錫(SnO2：F，FTO)導電玻璃(日本NSG株式會社)用超聲清洗，在玻璃上滴加1 mmol/L Zn(Ac)2·2H2O乙醇溶液後用N2吹幹，反複5次，放入馬弗爐中350℃加熱20 min，再把處理好的FTO玻璃放入含25 mmol/L C6H12N4和25 mmol/L Zn(NO3)2的反應液中在75℃恒溫振蕩器中反應9～12 h，即可在FTO導電玻璃上合成ZnO納米線。

1.4納米ZnO的原子力顯微鏡和掃描電鏡表征

用Nanoscope IVa原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)(Veeco/Digital Instruments，santa Barbara，USA)和表征ZnO在FTO導電玻璃上的分布情況和均勻性。采用Veeco TESP型探針，操作頻率為300～350 kHz，彈性常數為20～80 N/m。

用日立S-4800冷場掃描電鏡(Scanning electron microscope，SEM)觀察ZnO在FTO導電玻璃表麵上的生長情況，電壓5 kV。

1.5類囊體膜LB膜的製備

參照Li等[13]的方法，以0.5 mol/L磷酸緩衝液(pH 7.0)作為亞相，3%(V/V)乙醇-水溶液作為鋪展劑，把60μL濃度為1.5 mg/mL的類囊體膜緩慢均勻地滴入Micro Trough X 粉色视频在线下载(芬蘭Kibron)槽內的亞相表麵，待其在亞相表麵擴散約20 min後，壓膜速率為1 mm/min，壓縮單分子層膜至表麵壓為30 mN/m，保持30 min後，用垂直提拉法將膜轉移到納米ZnO表麵。在納米ZnO上沉積1、3、5層的LB膜分別用來進行熒光發射光譜和光電性能檢測。

1.6熒光發射光譜的檢測

樣品在室溫下用FluoroMax-4熒光光譜儀(Horiba Jobin Yvon)檢測，436 nm激發，狹縫寬度2 nm，檢測波長範圍625～750 nm。

1.7光電池的組裝及光電性能的檢測

將類囊體膜LB膜的納米ZnO導電玻璃膜麵朝上放在潔淨的水平基麵上，並把鍍Pt的FTO玻璃(大連七色光太陽能科技開發有限公司)作為對電極放在上麵，將具有開口的熱封膜(膜厚60µm，內孔尺寸5 mm×5 mm)置於兩電極之間，形成一定的空間，便於滴加電解質。把兩個玻璃片微微錯開，各自留出一定的導電部分，以利於電池測試。用兩個長尾夾把電池夾住，再滴入少量電解質溶液，由於毛細管原理，電解質溶液很快在兩個電極之間擴散均勻，封孔後即可進行光電性能檢測。在本實驗中參照Abe等[14]和Lemieux等[15]的方法，稍加改動，以pH 7.2的PBS緩衝液作為電池中的電極緩衝液。

光電性能的檢測在美國頤光科技有限公司(Crown Tech)太陽能電池I-V特性測試係統IV Test Station 2000上進行，電壓/電流控製和測量采用Keithley Model 2400 SourceMeter，在模擬太陽光(AM 1.5，100 mW/cm2)照射下測定組裝電池的I-V特征曲線。得出開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pout，利用公式(1)和(2)計算電池的填充因子FF和光電轉換效率η。

其中Vmax和Imax為最大輸出功率時對應的電壓和電流，Pin為入射光強。

2結果與討論

2.1類囊體膜的提取和多肽組成

與高等植物菠菜相比，海洋綠藻石蓴含多糖和澱粉較多，葉綠體較小，因此在類囊體膜的製備上略有不同，收集石蓴類囊體膜時所需的離心速度較高，在勻漿時需要注意將白色沉澱去除。將提取的石蓴和菠菜的類囊體膜進行SDS-PAGE分析，結果如圖1所示。石蓴和菠菜類囊體膜的多肽組分相似，都包括PSI的組分PsaA/B和LHCI，以及PSII的組分即PSII反應中心的D1、D2蛋白和內周天線蛋白CP47、CP43和外周天線蛋白LHCII等。

圖1石蓴和菠菜類囊體膜的SDS-PAGE分析

2.2納米ZnO的製備和表征

納米ZnO是一種重要的光催化材料，具有成本低廉、生物相容性較好和電子傳遞特性較高的優點，因此在太陽能電池、傳感器、光電器件等方麵都有廣泛應用。本實驗采用水熱合成法定向生長ZnO納米線並用原子力顯微鏡(AFM)和掃描電鏡(SEM)對其進行了表征，結果如圖2和圖3所示。

ZnO晶核在FTO導電玻璃表麵的分布情況和分布的粒徑範圍對納米線的生長及性能有重要的影響。圖2顯示1 mmol/L的Zn(Ac)2乙醇溶液接種5次，晶核在FTO導電玻璃表麵分布比較均勻，粒徑的分布情況也較好，一般在20～40 nm。圖3顯示納米ZnO纖維在FTO玻璃上的生長情況，納米ZnO纖維垂直FTO向上生長，長度基本一致，形成了均勻分布的納米簇，增加了與蛋白的接觸麵積，減少了電流傳遞時的電阻，從而可以提高光電池的光電轉化效率。

2.3類囊體膜在納米ZnO上的吸附及光電性質

蛋白在固體界麵上的吸附有很多形式，如果蛋白在固體界麵自由吸附，往往會形成堆積或者分布不均勻，使得在光電實驗過程中得到的結果不穩定。因此，嚐試用LB膜技術將類囊體膜組裝在納米ZnO上，以得到有序排列的蛋白分子組裝體係。

圖2原子力顯微鏡觀察在FTO上的納米ZnO

圖3納米ZnO的掃描電子顯微鏡照片，45º側視圖

圖4不同層石蓴類囊體膜LB膜在納米ZnO上的室溫熒光發射光譜，436 nm激發

表1不同層數類囊體膜LB膜組裝成光電池的光電性能參數

圖4是石蓴類囊體膜LB膜在納米ZnO上的室溫熒光發射光譜，類囊體膜的最大熒光發射峰在683 nm，隨著類囊體膜在ZnO上吸附層數的增加熒光發射強度增大。菠菜類囊體膜的熒光發射光譜表現出相同的趨勢(結果未顯示)。

已有報道可以將類囊體膜組裝成不同的電化學器件，Abe等[14]通過靜電吸附將螺旋藻的類囊體膜和聚離子複合聚乙烯亞胺(PEI)組裝在金電極表麵，具有光電化學活性，並且能夠被除草劑抑製。將類囊體膜包埋在白蛋白-戊二醛交聯介質中組裝成光電池，與天然類囊體膜相比，對高溫、高pH和高光強脅迫條件具有更強的耐受性[15]。本實驗結果表明用LB膜技術可以將類囊體膜組裝到納米ZnO上，而且能夠產生光電流。由不同層數的石蓴和菠菜類囊體膜LB膜在ZnO上組裝成光電池的I/V曲線如圖5、圖6所示，表1列出了各光電池的光電性能參數。類囊體膜LB膜的層數顯著影響了光電池的光電轉化效率η值，隨著層數的增加，光電轉化效率大大增加。Abe等[14]的實驗結果也表明，用靜電吸附法得到的類囊體膜電化學器件產生的光電流隨著吸附層數的增加而增加。

圖5不同層數菠菜類囊體膜LB膜組裝成光電池的I-V曲線

圖6不同層數石蓴類囊體膜LB膜組裝成光電池的I-V曲線

此外，海洋綠藻石蓴類囊體膜組裝的光電池光電轉化效率明顯高於菠菜類囊體膜。影響光電轉化效率的因素有很多，類囊體膜的光合電子傳遞活性、類囊體膜與氧化鋅的吸附作用、電子從膜到工作電極的擴散等都可能會影響光電流的產生速率。已有報道表明，綠藻石蓴具有與高等植物不同的熒光誘導特性[16]、色素組成、類囊體膜垛疊方式以及熒光發射特性[17-19]。石蓴的最大熒光量子產額高於其他藻類，其生長速度和產量也高於很多種屬[20-21]。石蓴類囊體膜組裝的光電池光電轉化效率較高與其類囊體膜的特性具有怎樣的關係，該機理還有待進一步探討。