綜述(生命科學(xué)文獻(xiàn)與論文)

1、生命科學(xué)文獻(xiàn)與論文寫作課程論文固定化方法制備微藻光電極的研究學(xué)生姓名：馬樂(lè)龍學(xué) 號(hào)： 0904064130所在專業(yè)：生物工程指導(dǎo)教師：李會(huì)珍副教授2012年4月15日定化方法制備微藻光電極的研究作者姓名：馬樂(lè)龍（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院生物工程太原030051）摘要 通過(guò)將微藻細(xì)胞固定在平面多孔碳紙上，制備微藻光電極，并在三電極體系電 解液中加入電子介體進(jìn)行測(cè)試，可產(chǎn)生與光照同步的光電流響應(yīng)?？疾炝瞬煌潭ɑ?法、不同微藻及不同電子介體的光電流響應(yīng)，結(jié)果表明硅溶膠口凝膠法制備的光電極光 電流響應(yīng)最佳，且對(duì)于亞心形四爿藻、金藻、萊茵衣藻、蛋白核小球藻、聚球藻等5種 微藻都適用，表明該制備方法對(duì)不

2、同微藻具有較好的通用性。電子介體的研究表明苯醌 及其衍生物由于氧還電位較高，具有較好的陽(yáng)極光電流響應(yīng)特性，而甲基紫精氧還電位 較低，具有較好的陰極光電流響應(yīng)。關(guān)鍵詞 微藻 硅溶膠口凝膠 固定化 光合電子傳遞 基于光合系統(tǒng)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換研究近來(lái)廣受關(guān)注，利用光合生物（高等植物1、微藻 2-4、光合細(xì)菌】5-6）、光合系統(tǒng)天線蛋白7以及具有光合作用活性的 葉綠體8、類囊體膜9-10、光合系統(tǒng)111和II 12-14 構(gòu)建 光合生物燃料電池時(shí)見(jiàn)報(bào)道，Strik等15、Rosenbaum等16 對(duì)光合生物燃料電池分類及其電子傳遞機(jī)理進(jìn)行了全面的綜述。在光合生物燃料電池 中，為實(shí)現(xiàn)光能到電能或化學(xué)能的轉(zhuǎn)換

3、，光合系統(tǒng)光解水產(chǎn)生的高能電子通過(guò)外源或內(nèi) 源的電子介體傳遞到電極上產(chǎn)生光電流是先決條件。由于尚未經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)光合微生物和 電極之間存在直接的電子傳遞16,光合生物燃料電池需要借助外源電子介體HN Q、DMBQ、DCBQ、BQ等醍類將光合電子傳遞到電極上，細(xì)胞或酶固定化制備 光電極，顯然可以顯著增加電子的傳遞效率17。細(xì)胞固定化制備光電極多集中在 將原核生物藍(lán)藻、光合細(xì)菌吸附在修飾金電極及碳紙上或用碳糊電極達(dá)到固定目的2 -6，而關(guān)于真核藻類光電極制備卻尚未見(jiàn)報(bào)道。原因在于真核藻類個(gè)體較大，難以 吸附在載體表面，且光反應(yīng)中心在細(xì)胞器葉綠體的類囊體膜上，電子介體在細(xì)胞內(nèi)需要 穿過(guò)層層膜結(jié)構(gòu)才能接收

4、光解水釋放的電子，擴(kuò)散傳遞過(guò)程要比沒(méi)有細(xì)胞器結(jié)構(gòu)的原核 藻類困難得多18。本研究利用不同的固定化方法將真核綠藻亞心形四爿藻固定在 碳紙上制備成微藻光電極，以對(duì)苯醍（P-BQ）為電子介體，考察并比較了不同固定 化方法對(duì)光電流的影響。采用金藻、萊茵衣藻、蛋白核小球藻、聚球藻為工作藻株，以硅溶膠口凝膠方法制備光電極，考察硅溶膠口凝膠方法對(duì)不同藻株的適用性；以循環(huán)伏安曲線確定不同電子介體時(shí)工作電極的極化電位，恒電位極化方法考 察了微藻光電極在使用不同電子介體時(shí)的光電流響應(yīng)情況1.材料與方法1.1藻種及培養(yǎng)選擇不同種屬的微藻細(xì)胞（包括真核微藻、原核微藻）作為實(shí)驗(yàn)材料制備光電極，研 究光誘導(dǎo)的電子傳遞1.

5、2 實(shí)驗(yàn)裝置與原理實(shí)驗(yàn)采用的是單室三電極體系，裝置體積為2 0 0 ml。在三電極體系中，固定在碳紙上的微藻細(xì)胞內(nèi)的電子傳遞給電子介體，還原型的電 子介體再將電子傳遞到陽(yáng)極，與輔助電極構(gòu)成閉合回路產(chǎn)生電流。1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1高分子修飾的碳紙電極的制備及固定化聚醚颯修飾碳紙使其一面形成一層高分子多孔層，孔徑大小足以將藻細(xì)胞通過(guò)過(guò)濾的方式固定在碳紙上，具體制備方法 見(jiàn)專利20，記作固定化方法11.3.2海藻酸鈣凝膠固定化微藻電極的制備1.3.3硅溶膠口凝膠固定化微藻電極的制備硅溶膠的制備方法，四乙氧基硅烷在酸性條件下水解縮聚為硅溶膠，并釋放出乙醇。1.3.4電化學(xué)測(cè)試 微藻生物電極作為工作電

6、極，與輔助電極、參比電極構(gòu)成三 電極體系。實(shí)驗(yàn)前，將電化學(xué)工作站（CS 3 0 0，武漢科斯特）預(yù)熱30min，每 個(gè)電化學(xué)測(cè)試之前通N2排氧2 0min，且在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中通N2保持?jǐn)嚢梵w系的 電解池?zé)o氧。為了防止電化學(xué)測(cè)試 對(duì)電極表面電荷積累的影響，先進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)試，再進(jìn)行恒電位掃描，至電流穩(wěn) 定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2 .結(jié)果與討論2.1不同固定化方法的比較通過(guò)固定化方法1將海洋綠藻亞心形四爿藻固定在碳紙上，形成綠藻生物電極，在 三電極體系中，以0.5V進(jìn)行恒電位極化，光響應(yīng)曲線如圖2所示。在a點(diǎn)加入電子 介體P BQ之后，p BQ被細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)所還原，還原型的p BQ在電極再被重 新氧化，電

7、流迅速增加。在b c點(diǎn)之間進(jìn)行光照時(shí)，電流在2 s內(nèi)迅速上升，比懸浮 液體系3對(duì)光的響應(yīng)更加靈敏，與光同步，同時(shí)該方法制備的光電極由于細(xì)胞容易脫落到電解液中，光電流不穩(wěn)定，固載量無(wú)法定量，實(shí)驗(yàn) 重復(fù)性較差。固定化方法2和3制備的綠藻生物電極對(duì)光的響應(yīng)值只有固定化方法4制備的綠藻生 物電極的5 0%左右。在固定化方法2和3中，碳紙上修飾的聚醚颯薄膜層阻礙了藻細(xì) 胞光解水釋放的0 2和減小了電極的有效面積，這可能是其光電流響應(yīng)值較低的原因。 固定化方法4的載體材料由于是未加任何修飾的碳紙，沒(méi)有固定化方法2、3的問(wèn)題， 光電流響應(yīng)值最大。綜合上述分析，固定化方法4可準(zhǔn)確定量細(xì)胞的固定量，而且對(duì)光 的

8、響應(yīng)最佳，光電流達(dá)到3 7p A/cm2,與光同步，且重復(fù)性好，與相關(guān)研究3， 6相比更有優(yōu)勢(shì)。2.2不同微藻對(duì)光電極性能的影響初步得出以下結(jié)論：細(xì)胞個(gè)體的大小對(duì)光電流響應(yīng)亦有影響，其中亞心形四爿藻個(gè) 體最大(直徑約2 0p m)響應(yīng)最佳，且達(dá)到平臺(tái)的響應(yīng)時(shí)間最短。以硅溶膠 凝膠方 法制備光電極對(duì)各種微藻具有較好的通用性，增加離子強(qiáng)度可以有效提高淡水微藻光電 極的穩(wěn)定性。2.3不同電子介體對(duì)光電極性能的影響以海洋綠藻亞心形四爿藻為材料，利用固定化方法4制備綠藻生物電極，通過(guò)循環(huán) 伏安掃描確定不同電子介體的極化電壓，考察不同的電子介體p BQ，MV，VK 3，DMBQ，HNQ，K3Fe(CN)6

9、 對(duì)光的響應(yīng)。其中鐵氰化鉀、HNQ的 循環(huán)伏安曲線氧化還原峰不明顯未作進(jìn)一步考察。3結(jié)論以細(xì)胞固定化方法制備亞心形四爿藻光電極，使用苯醍類電子介體，可以獲得穩(wěn) 定的光電流響應(yīng)，在4種固定化方法中，硅溶膠 凝膠法結(jié)果最佳；以硅溶膠 凝膠法 可以固定不同門類的微藻在碳紙上制備成光電極，其光電流響應(yīng)曲線類似，表明硅溶膠 凝膠法對(duì)不同的微藻具有通用性；硅溶膠 凝膠法制備光電極過(guò)程中，適當(dāng)提高離子 強(qiáng)度可以有效提高凝膠強(qiáng)度，從而得到穩(wěn)定的光電流響應(yīng)。不同電子介體對(duì)光電流影響 的研究表明，循環(huán)伏安方法可以有效確定微藻電極的極化電壓，恒電位極化研究表明苯 醍及其衍生物由于氧化還原電位較高具有較好的陽(yáng)極光電流

10、響應(yīng)特性，而MV氧還電位 較低則具有較好的陰極光電流響應(yīng)。以細(xì)胞固定化方法制備微藻光電極對(duì)于實(shí)現(xiàn)基于微 藻細(xì)胞的直接光電轉(zhuǎn)化，及深入研究微藻光合電子的傳遞機(jī)制，以及與其他代謝網(wǎng)絡(luò)的 相互關(guān)系提供了一種新的手段。參考文獻(xiàn)FlexerV,ManoN.Fromdynamicmeasurementsofphot osynthesisinalivingplanttosunlighttransformati onintoelectricity.AnalChem,20l0,82 (4) :1444-1449.FuCC,SuCH,HungTC,etal.Effectsofbiomassweigh tandli

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