CN105431573B - 产生葡萄糖的电化学方法和系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于产生葡萄糖和葡萄糖前体的电化学方法和系统。所述方法和系统仅需要黑色素、或其前体、其衍生物、其类似物、或其变体、以及电磁能(如可见或不可见的光能)，即可使得二氧化碳和水产生葡萄糖。

Description

产生葡萄糖的电化学方法和系统
发明领域
本发明涉及产生葡萄糖的方法和系统，具体地，本发明涉及利用水、二氧化碳、电磁能量、黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物或黑色素变体来产生葡萄糖。
发明背景
葡萄糖是单糖，其化学通式为C6H12O6。葡萄糖是食物链的基本分子，并且是许多生物的主要能量来源，一个产生葡萄糖的经充分研究的过程是植物的光合作用。
一般来说，光合作用是将光能转化为化学能的过程。更具体地，通过光合作用，植物利用光能，将二氧化碳(CO2)和水(H2O)转化为氧气(O2)和葡萄糖。该过程的另一重要成分是被称为叶绿素的色素。叶绿素通过吸收光能或光子，从而启动光合作用。对于每一个吸收的光子，叶绿素会失去一个电子，产生电子流，其随后产生必要的能量，以催化裂解水为氢离子或质子(H+)和O2。所得的质子梯度用来产生三磷酸腺苷(ATP)形式的化学能。该化学能随后用于将二氧化碳和水转化为葡萄糖。
与叶绿素相似，黑色素也属于色素。黑色素由氮、氧、氢和碳组成，然而其确切的结构并未被完全阐明。黑色素在自然界普遍存在，并且其合成方法在文献中已知。许多年来，黑色素除了被认为是等同于2％的硫酸铜溶液的具有低保护因子的简单防晒品之外，其本身没有生物或生理功能。黑色素还被认为是最黑的分子，因为它能够吸收几乎所有波长的能量，但是它似乎并不释放任何能量。该特性对于黑色素来说是独特的，其与热力学定律相矛盾，因为其他能够吸收能量的化合物(尤其是色素)能够释放一部分的吸收能。黑色素的电子性能由此成为相当长一段时间关注的焦点。然而，黑色素为人们已知的最为稳定的化合物之一，并且很长一段时间，似乎黑色素并不能催化任何化学反应。
近年来，人们发现了黑色素能够吸收能量，并且利用吸收的能量裂解、重构水分子的固有特性。因此，黑色素吸收所有波长的电磁能(包括可见和不可见的光能)，它能够借助水裂解以及随后的重构来消散这种吸收的能量。用黑色素及其类似物、其前体、其衍生物或其变体将水裂解为氢和氧的光电化学过程，在美国专利申请号为US 2011/0244345的专利申请中有所描述。
不希望受任何理论束缚，据信，黑色素的反应如下述方案I所示。
一旦吸收电磁能(可见或不可见)，黑色素就催化水裂解为双原子氢(H2)、双原子氧(O2)和电子(e)。尽管水裂解为氢和氧会消耗能量，然而该反应是可逆的，并且在逆向反应中，氧原子在双原子氢的还原下，重新形成为水分子，释放能量。
因此，黑色素可以将光能转化为化学能，与植物在光合作用过程中利用叶绿素将光能转化为化学能类似。因而，基于类似的效果，我们将该过程命名为为“人工光合作用”。然而，黑色素参与的水裂解反应与叶绿素参与的水裂解反应至少有2个重要方面的不同之处。其一，叶绿素不能催化水分子重构的逆向过程。其二，叶绿素催化的水裂解反应只能在活细胞中进行，并且需要波长范围400nm－700nm的可见光。因此，随后葡萄糖的生成也只能在活细胞内进行。相比之下，黑色素可以利用任何形式的电磁能(尤其是波长在200nm－900nm之间的光能(可见或不可见))在活细胞外水解、重构水分子。
发明概述
现在已发现，一旦吸收电磁能，例如不可见或可见的光能，黑色素可以裂解或重构水分子，并且随后催化二氧化碳(CO2)和水生成葡萄糖的反应。
本发明涉及电化学方法和系统，其利用黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物以及黑色素变体将二氧化碳(CO2)和水生成葡萄糖。根据本发明的实施方式，可以利用黑色素将二氧化碳(CO2)和水生成葡萄糖，仅额外需要一种电磁能量源，比如不可见或可见的光能、伽玛射线、X射线、紫外光、红外辐射、微波和无线电波。与叶绿素将光能转化为化学能的能力有所不同，其随后被用于在细胞内通过光合作用产生葡萄糖，而黑色素可以在活细胞外，通过电化学方法产生葡萄糖。因此，目前为止，这种产生葡萄糖的方法无法在实验室复制。
在一个总的方面，本发明涉及一种产生葡萄糖(C6H12O6)的电化学方法。根据本发明的实施方式，所述的电化学方法包括：在至少一种黑色素物质和电磁能量源的存在下，将水与溶解在其中的二氧化碳气体进行反应。所述的至少一种黑色素物质选自下组：黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物、以及黑色素变体。由于黑色素能够吸收电磁能，并且可以将该电磁能转化为可利用的化学能，因此，根据本发明所述的电化学方法，不需外加电流即可产生葡萄糖。在一个优选的实施方式中，本发明所述的电化学方法是光电化学方法，并且电磁能量源为光电能，选自可见光和不可见光，其波长在200nm－900nm的范围。
在另一总的方面，本发明涉及产生CnH2nOn类物质的电化学方法，其中n代表整数。在一优选的实施方式中，n代表1、2、3、4、5或6，由此使得用本发明的方法产生的CnH2nOn类物质是葡萄糖前体、或葡萄糖本身。根据本发明的实施方式，所述的电化学方法包括：在至少一种黑色素物质和电磁能量源的存在下，将水与溶解在其中的二氧化碳气体进行反应。较佳地，光电能选自可见的和不可见的光能，其波长在200nm-900nm的范围。
在另一方面，本发明涉及利用水、二氧化碳、黑色素和电磁能量源产生葡萄糖和CnH2nOn类物质的系统。根据本发明的实施方式，用于通过电化学方法产生葡萄糖的系统包括：
(i)反应室，用于接收水和溶解在其中的CO2气体、以及至少一种黑色素物质，其中所述的至少一种黑色素物质选自下组：黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物以及黑色素变体；和
(ii)电磁能量源，由此使得电磁能传递入反应室，并为黑色素物质所吸收。
在本发明实施方式中，所述用于产生葡萄糖的系统不需复杂的操作或设置，因而仅需要一个容器以及电磁能量源，该容器用于接收水和溶解在其中的CO2气体、至少一种黑色素物质，而该电场能量源为至少一种黑色素物质提供足够的能量，以催化裂解、重构水分子以及随后形成葡萄糖。在一个优选的实施方式中，电磁能量源将波长为200nm－900nm的可见或不可见的光能传递入反应室。
本发明的一个或多个实施方式的细节列于以下说明中。其它特征和优点将从以下的详述和所附权利要求书中明显得出。
发明详述
本文提及的所有专利和出版物都通过引用的方式并入本文。除非另有定义，否则本文所用的所有技术性和科学性术语是本发明相关领域技术人员普遍理解的相同含义。否则，本文所用的某些术语具有如说明书中所阐述的含义。
需注意，如本文和附属的权利要求所用，单数形式的“一(a)”、“一个(an)”、以及“该”包括复数引用，除非上下文另有明确的说明。
如本文所用，术语“水电解的”是指将水分子裂解为氧气和氢气的方法。如本文所用，“电解水的材料”是指一种物质，其能将水裂解为氧气和氢气。根据本发明的实施方式，黑色素物质，包括黑色素(天然的和合成的)、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物以及黑色素变体均为电解水的材料。
如本文所用，术语“黑色素物质”是指黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物以及黑色素变体，其包括天然的和合成的黑色素，真黑素、褐黑素、神经黑色素、聚羟基吲哚、真黑素、阿罗真黑素(alomelanin)、腐植酸、富勒烯类(fulerens)、石墨、聚吲哚醌类、乙炔黑、吡咯黑、吲哚黑、苯黑(benzence black)、噻吩、苯胺黑、水合形式的聚醌类、墨鱼黑色素(sepiomelanins)、多巴黑、多巴胺黑、肾上腺素黑、儿茶酚黑，4-胺儿茶酚黑，简单的直链脂肪族或芳香族化合物；或它们的前体作为酚类、氨基酚类、或联苯酚类，吲哚多酚类、醌类、半醌类或氢醌类、L-酪氨酸、L-多巴胺、吗啉、邻苯醌、吗啉、卟啉黑、蝶呤黑、和单色黑(ommochrome black)。
根据本发明的实施方式，产生葡萄糖的电化学方法包括：在至少一种黑色素物质和电磁能量源的存在下，将水与溶解在其中的二氧化碳气体进行反应。适用于本发明的电化学方法的电磁能形式包括可见光和不可见光、伽玛射线、X射线、紫外光、红外辐射、微波和无线电波。在一个优选的实施方式中，本发明所述的电化学方法是是光电化学方法，其中，电磁能量源为光电能，选自可见光和不可见光(紫外光和红外辐射)。
根据本发明的实施方式，所述至少一种黑色素物质选自下组：黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物以及黑色素变体。在一个优选的实施方式中，所述至少一种黑色素物质选自天然的黑色素和合成的黑色素。
根据本发明的实施方式，黑色素可以由黑色素的氨基酸前体(比如，L－酪氨酸)合成。然而基于本发明披露的黑色素物质可以用本领域已知的任何方法获得，包括化学合成黑色素和从天然来源(如植物和动物)中分离黑色素物质。
根据本发明的另一实施方式，电化学方法可以在至少一种黑色素装置的存在下进行。黑色素装置包括基板和至少一种黑色素物质，由此使得黑色素物质位于基板上或在基板内。黑色素物质可以分散在基板上或吸附在基板上。较佳地，基板是透明的，以便增加以光能的形式传递进来的电磁能，由此增加葡萄糖的产量。黑色素装置可以包括一种类型的黑色素物质，或一种以上类型的黑色素物质。例如，用于本发明的黑色素装置可以包括黑色素和真黑素。根据本发明的另一实施方式，一种以上类型的黑色素装置，每个设备包括可以使用的一种不同类型的黑色素物质。例如，包括黑色素的第一黑色素装置和包括真黑素的第二黑色素装置，可以一起用于本发明所述的生产葡萄糖的方法。
在本发明的电化学方法中使用黑色素装置的目的，在于防止黑色素物质溶解于水中、分散于水中、或自由漂浮在水中。黑色素装置能够确保水保持透明度，并且黑色素在补充水或CO2、或去除葡萄糖的时候不会有丢失。因此，黑色素装置允许黑色素物质与水接触，而不溶解于水中。黑色素装置的基板可以是惰性材料，包括(但不限于)：二氧化硅、塑料以及玻璃。黑色素装置可以是，例如，黑色素/二氧化硅板，其可以通过将二氧化硅的胶结混合物与黑色素水溶液混合起来而制得。较佳地，本发明所用的黑色素装置是与二氧化硅混合的黑色素。
根据本发明的实施方式，黑色素装置可以采用任何尺寸和形状，包括(但不限于)：棒状(圆柱形)、板状、球形、或立方形。至少一种黑色素装置可以使用，然而黑色素装置的数量或其尺寸或其形状并不受任何限制。反应速率将会受到反应中所使用的黑色素装置的尺寸、形状、表面积、黑色素物质的数量以及黑色素装置的数量的控制。在一个优选的实施方式中，黑色素装置的尺寸、形状和数量是基于预期的电化学方法反应速率而进行选择。例如，采用更大的黑色素装置会导致葡萄糖的产生速率更快。作为另一个说明性的例子，黑色素装置中的黑色素物质数量越多，葡萄糖的产生速率越快。
在本发明实施方式中，当黑色素物质吸收了电磁能并将水电解为H2和O2时，电化学方法就开始了。根据本发明的实施方式(间歇式方法)，在光电化学方法开始之前，二氧化碳气体仅在水中溶解一次。根据本发明的另一实施方式(连续式方法)，光电化学方法还包括将CO2气体连续不断溶解在水中，从而当它不断被消耗并转化为葡萄糖时持续补充CO2气体，任何适用于持续溶解CO⒉气体于水中的方法均可以使用。例如，可以用连接于气泵的管子或导管将CO⒉气体持续地注入水中。管子或导管可以由任何惰性、对CO⒉气体基本不可渗透的材料制成，其中包括(但不限于)：聚乙烯。
根据本发明的一个具体的实施方式，产生葡萄糖的方法是需要光电能量源的光电化学方法。较佳地，光电能量源为可见光或不可见光，其波长为200nm－900nm。在一个更佳的实施方式中，光电能量源为自然光。
根据本发明的另一实施方式，电化学方法可以在室温(约25℃)下进行，较佳地，在低于室温且在0℃-25℃的温度下进行，更佳地，在2℃－8℃的温度下进行。虽然较低的温度可以降低分子裂解和重构的周转率，然而较低的温度的保持，可以保留方法开始时引入的CO2气泡，并且无需持续将CO2气体注入水中。因此，使用较低的温度具有使电化学方法在技术上更方便执行的主要优势。
本发明所述的电化学方法还进一步包括对从二氧化碳、水和至少一种黑色素物质的反应中获得的葡萄糖进行分离的步骤。作为一个示范性的例子，葡萄糖可以通过蒸发水反应溶液而分离。然而，葡萄糖可以不经分离步骤来进行确定和测定，例如，用分光光度法进行确定和测定。
本发明还涉及了产生CnH2nOn类物质的电化学方法，其中n代表整数。较佳地，n为1、2、3、4、5或6，由此使得CnH2nOn类物质是葡萄糖前体、或葡萄糖本身。根据本发明的实施方式，产生CnH2nOn类物质的电化学方法可以与产生葡萄糖的方法相同，包括：在至少一种黑色素物质和电磁能量源的存在下，将水与溶解在其中的二氧化碳气体进行反应。较佳地，电磁能量源为光电能，选自可见光和不可见光(紫外光和红外辐射)。本发明所述的产生CnH2nOn类物质的方法的其他实施方式，可以与本发明所述的产生葡萄糖的电化学方法相同。较佳地，产生CnH2nOn类物质的电化学方法为光电化学方法。
在本发明实施方式中，黑色素能够利用电磁能，用CO2和水产生葡萄糖、葡萄糖前体以及其他CnH2nOn类物质，其精确的机理还没完全理解。不希望束缚于任何理论，据信，黑色素吸收电磁能，促进低能量电子向高能量电子的转换。高能量电子通过在黑色素物质中的移动电子载体进行转移。这种电子转移释放能量，并建立质子梯度，足以引发水裂解为双原子氢(H2)和双原子氧(O2)，同时释放4个高能量电子。因此，黑色素释放H2和O2分子，以及各个方向的高能量电子流，受扩散控制。释放的氢和高能量电子具有不同的能量类型，并且认为两种类型的能量均在CO2和水转化为葡萄糖和其他CnH2nOn类物质中发挥了作用。虽然水裂解为H2和O2需消耗能量，然而该反应为可逆的，并且用H2还原O2从而重构水分子会释放能量。因此，水分子裂解后，水分子必须被重构以便为CO2和水融合生成葡萄糖的反应提供能量。
许多因素会影响产生本发明实施方式所述的生产葡萄糖的电化学方法的速率和效率。这些因素包括(但不限于)：裂解和重构水分子所释放的能量、溶解的CO2气体的熵、溶解的CO2气体的量、温度、压力、供给反应的电磁能的波长、黑色素物质吸收的电磁能的量。
在本发明的一个优选的实施方式中，产生葡萄糖的电化学方法在无菌条件下进行，这意味着在该反应中基本无菌。由于细菌可以消耗葡萄糖，因此菌的存在会减少用本发明所述电化学方法产生的葡萄糖的量。基于本发明的揭示内容，反应可以用任何已知的方法进行灭菌，包括(但不限于)：过滤灭菌和高温灭菌。
解离和重构水分子以产生能量(其随后用于从二氧化碳和水生成葡萄糖的反应)，可以通过至少一种黑色素物质进行催化，其中，所述的至少一种黑色素物质为反应中存在的、唯一的水电解性材料。因此，在本发明的一个具体的实施方式中，所述的至少一种黑色素物质是用于产生葡萄糖的电化学方法中的唯一的水电解性材料。在一个优选的实施方式中，黑色素(合成或天然的)是用于产生葡萄糖的方法中的唯一的水电解性材料。
本发明的另一方面提供了用电化学方法产生葡萄糖的系统。根据本发明的实施方式，所述系统包括反应室和电磁能量源。如本文所用，术语“反应室”是指任何能够接收、容纳水及溶解在水中的二氧化碳气体的容器。所述反应室可以采用任何形状，并且可以由任何合适的材料制成，所述材料包括(但不限于)：塑料、玻璃以及任何其他允许所需波长的电磁能传递进反应室的任何材料，由此使得电化学反应可以进行。反应室的材料优选透明的材料，以便允许可见光的传递。反应室的材料还优选基本不透二氧化碳的材料。
在另一实施方式中，反应室为密闭的反应室，密闭的反应室是被密封的，以免二氧化碳气体逃离反应室，反应室可以由上述的任何合适的材料制得。较佳地，反应室为密封状态。反应室接收水和溶解在其中的CO2气体、以及至少一种黑色素物质。所述至少一种黑色素物质选自下组：黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物以及黑色素变体，并且较佳地为黑色素(合成或天然的)。在本发明的另一实施方式中，系统包括至少一种黑色素物质作为至少一种黑色素装置的一部分，所述装置包括基板和如上讨论的黑色素物质。较佳地，黑色素装置包括黑色素(天然或合成的)和二氧化硅。
本发明所述的系统优选为无菌的，并且不存在细菌。包括一个或多个组成部件(反应室，导管等)的所述系统，可以用本领域已知的杀菌或除菌方法灭菌，比如，用高温、化学、辐射、压力或过滤方法进行灭菌。
根据本发明的实施方式，电磁能量源向反应室提供的能量传递给反应室，由此使得其为黑色素物质所吸收。在一个优选的实施方式中，电磁能量源向反应室提供不可见或可见的光能，其波长在200nm－900nm之间。
根据本发明的另一实施方式，所述系统还包括一装置，所述装置用于持续向反应室注入CO2气体。所述装置可以是，例如，气泵。可以用管子或管道将所述装置与反应室相连接。如果反应室关闭，所述装置优选用这样的方式连接，使密闭的反应室保持密封状态，以防止CO2气体逃离。因此，使用密闭的反应室具有无需持续地向反应室注入二氧化碳的优势，前提条件是，该容器充分密封，以防止二氧化碳气体逃离。
根据本发明的实施方式，用电化学方法产生葡萄糖的系统同样可以用于产生CnH2nOn类物质。较佳地，所述CnH2nOn类物质是葡萄糖前体，其中n代表1、2、3、4、或5。
根据本发明的实施方式，用于产生葡萄糖的电化学方法和系统，除了溶解在水中的CO2气体，仅需要黑色素物质和电磁能的存在(较佳地，光电能，更佳地，光能)，因此具有环境友好性，因为除了需要自然环境存在的能量源，不需要外部能量源。另外，不需要复杂的设置或维护。仅需要维护的是，一旦CO2被消耗掉并转化为葡萄糖时，替换水和溶解的CO2气体。由于黑色素是人类已知的最稳定的分子之一，具有估计为数百万年量级的半衰期，因此黑色素物质或黑色素装置可以使用数十年，才需要更换。
在一个优选的实施方式中，在系统中，所述的至少一种黑色素物质是黑色素(天然或合成的)。在另一优选的实施方式中，黑色素是系统中存在的唯一的水电解性材料。
根据本发明的实施方式，用于产生葡萄糖的电化学方法和系统，具有至少两个重要的应用。其一，如上所述，产生葡萄糖，所述葡萄糖是食物链的基本分子。其二，与大气CO2的控制有关。根据本发明的实施方式，产生葡萄糖需要消耗CO2。因此，本发明还提供了一种降低大气CO2水平的方法。
二氧化碳(CO2)是人类活动中产生的主要的温室气体，并且大气CO2浓度正在加速增长，由此导致全球变暖和气候变化。尽管已经将大气CO2的安全上限设为350百万分率(ppm)，然而，大气中的二氧化碳水平自1988年早期就维持高于这一限值。另外，古气候证据和正在发生的气候变化表明，需要减少二氧化碳的含量，以保护地球上的生命已经适应了的地球状态。
此外，由美国航空航天局的研究人员的计算显示，尽管2005年和2010年间异常低的太阳活动，地球不断吸收比它返回到空间更多的能量。因此，气候稳定不仅需要恢复地球的能量平衡，还需要降低CO2水平。换句话说，地球需要将从太阳中吸收的同样多的能量辐射到太空中，以减缓温室效应。
因此，迫切需要一种全新的方法去控制大气CO2的水平、以及消耗吸收的太阳能。在本发明实施方式所述的光电化学方法中，只需要光能和至少一种黑色素物质(如黑色素(天然或合成的))、黑色素类似物、或黑色素前体将CO2和水转化为葡萄糖。因此，在本发明的光电化学方法中，CO2和太阳能均在产生葡萄糖的过程中被消耗掉，这将有助于降低CO2水平，同时使用吸收的太阳能。
实施例
实施例1黑色素催化水分子的解离与重构
2个1L的由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的密闭容器(密闭的反应室)，在无菌条件下形成。每个容器各容纳1L的纯水。CO2气体以5个大气压的初始压力，分别溶解在每个容器的水中，与二氧化硅混合的黑色素被放置在两个容器中的一个容器中。将两个容器暴露于可见光下6周，保温于约2℃－8℃的温度下孵育(35.6°F－46.4°F)。
5天后，观察到含有与二氧化硅混合的黑色素的容器的塑料包装发生了变形。与此相反，暴露于可见光6周后，不含有任何与二氧化硅混合黑色素的容器的塑料包装没有可见的变形。
实验结果支持了在光能条件下，黑色素具有解离和重构水分子的内在能力的观点。水分子的解离和重构产生了真空，这表现为仅含有黑色素的密闭容器的塑料包装发生变形。由黑色素催化的裂解和重构水分子所产生的能量，可以随后用于将二氧化碳和水转化为葡萄糖。
实施例2由溶解在水中的CO2、黑色素和光能产生葡萄糖
10个密闭的，3L的由聚乙烯制成的密闭容器(密闭反应室)，在无菌条件下形成。每个容器容纳1800mL的纯水。在大约2.20PSI的压力下，将足量的CO2溶解在每个容器中，以便能够很容易观察到许多的CO2气泡。其中5个容器作为对照组，其内不含黑色素装置，其他5个容器作为实验组。对于实验组而言，将混有黑色素的二氧化硅板放置在每个容器的底部。黑色素/二氧化硅板通过将二氧化硅的胶结混合物与黑色素水溶液混合起来而制得。所用的黑色素为实验室中化学合成的黑色素。
对照组和实验组的容器均放置在冰箱中，并保温于在2℃－8℃(35.6°F－46.4°F)的温度下4周。将容器放于冰箱中是为了保存最初溶解在水中的CO2气体。这就不再需要对容器进行连续操作，即在实验过程中，必须持续地或分几次将CO2溶解在水中。由于冰箱包括金属壁，因此供给容器的能量源主要是冰箱内的不可见光。容器在实验的整个过程都是密闭的，并且对照组保温的4周依然可以观察到CO2气泡，这表明，容器密封是充分的。
每天观察溶解的CO2的气泡情况。第一个周后，所有对照组容器内均可见CO2气泡，并表现出与从实验开始时没有任何变化。在另一方面，在所有的实验组容器中，几小时后，溶解的CO2气泡完全消失，这表明，二氧化碳在仅存在黑色素的情况下被消耗。即使实验组容器的CO2气泡在几小时内消失，继续实验4周，以确定是否有气体产品或沉淀形成。在第四周后，在无菌条件下，打开实验组容器和对照组容器的密封，从每个容器中取10mL的水样。同样需注意，在第四周后结束时，与实验开始时相比，对照组容器的CO2没有任何变化。
从对照组和实验组容器中取出的10mL的水样既透明又无味。对于实验组而言，在任意组的样品中均未观察到沉淀，这表明，黑色素未从黑色素/二氧化硅板上散开。其他的参数，包括密度、pH、以及葡萄糖浓度，在每个样品中进行了测量。
通过分光光度法，使用标准化葡萄糖氧化酶(GOD)分析对各样品中的葡萄糖浓度进行确定。简言之，每个样品用葡萄糖氧化酶处理以氧化葡萄糖，从而产生葡萄糖酸和过氧化氢。在过氧化物酶的存在下，过氧化氢与4-氨基－安替比林(4-AAP)和酚进行氧化耦合，产生了红色染料醌亚胺。醌亚胺的吸光度为505nm，其与葡萄糖的浓度成正比，然后由此测量并确定样品中的葡萄糖浓度。结果列于下表1中。
表1
对照组 实验组
密度(g/cm3) 1.005 1.000
pH 7.5 6.5
葡萄糖浓度(mg/dL) 0.0 0.1-0.12
上述实验结果表明，仅需要黑色素和电磁能(如不可见光)，用二氧化碳和水即可以产生葡萄糖。
应理解，本领域技术人员可以在不背离宽广的本发明概念的情况下，对上述实施例进行改动。因此，应理解，本发明并不受所公开的这些具体实施例的限制，而应覆盖落于由所附权利要求限定的本发明的主旨和范围之内的这些改动形式。

Claims (16)

1.一种产生葡萄糖的电化学方法，其特征在于，所述方法包括：在至少一种黑色素装置和电磁能量源的存在下，将水与溶解在其中的二氧化碳气体进行反应，由此产生葡萄糖，其中所述的至少一个黑色素装置包括基板和黑色素，所述黑色素位于基板内，由此防止所述黑色素分散在水中。
2.如权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，所述电化学方法是光电化学方法，并且电磁能量源为可见或不可见的光能，其波长在200nm－900nm之间。
3.如权利要求1所述的电化学方法，还包括持续不断地在水中溶解二氧化碳气体。
4.如权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，所述至少一个黑色素装置的基板是二氧化硅，由此形成黑色素和二氧化硅的混合物。
5.如权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，所述方法在0℃－25℃的温度下进行。
6.如权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，所述黑色素选自天然的黑色素和合成的黑色素。
7.如权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，所述黑色素是所述方法使用的唯一的水电解性材料。
8.一种产生葡萄糖和具有通式CnH2nOn的葡萄糖前体的电化学方法，其中，n代表2、3、4、5、或6，其特征在于，所述方法包括：在至少一种黑色素装置和电磁能量源的存在下，将水与溶解在其中的二氧化碳气体进行反应，由此产生葡萄糖或所述的葡萄糖前体，其中所述的至少一个黑色素装置包括基板和黑色素，所述黑色素位于基板内，由此防止所述的黑色素分散在水中。
9.如权利要求8所述的电化学方法，其特征在于，所述电化学方法是光电化学方法，并且电磁能量源为可见或不可见的光能，其波长在200nm－900nm之间。
10.如权利要求8所述的电化学方法，其特征在于，所述黑色素选自天然的黑色素和合成的黑色素。
11.一种用于通过电化学方法产生葡萄糖和具有通式CnH2nOn的葡萄糖前体的系统，其特征在于，n代表2、3、4、5、或6，所述系统包括：
(i)反应室，用于接收水和溶解在其中的CO2气体、以及至少一种黑色素装置，其包括基板和黑色素，所述黑色素位于基板内，由此防止所述黑色素分散在水中；和
(ii)电磁能量源，由此使得电磁能传递入反应室，并为所述的至少一种黑色素物质所吸收。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述反应室连接于用于持续地将CO2气体注入反应室的装置。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述电磁能量源为不可见或可见的光能，其波长在200nm－900nm之间。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述反应室是密闭的反应室。
15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述黑色素选自天然的黑色素和合成的黑色素。
16.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述黑色素是存在于系统中的唯一的水电解性材料。
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