CN1207564C - 一种纳米二氧化钛－生物蛋白复合膜电极的制法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料及生物工程领域，涉及一种纳米二氧化钛-生物蛋白复合膜电极的制造方法及其应用。该方法首先采用电沉积法制备纳米TiO₂多孔薄膜电极，然后用该电极吸附固定生物蛋白从而得到纳米二氧化钛-生物蛋白复合膜电极。利用本发明制备的电沉积二氧化钛膜电极具有良好的透光性、均匀性与稳定性，又为吸附固定生物分子提供了良好的基础。用本发明制备的二氧化钛-生物蛋白膜电极可以充分有效地拓宽对光的吸收波长范围，为生物光电器件的研究提供了借鉴。将本发明应用于太阳能电池、光控开关等器件的制造上，可增大灵敏度，大幅提高光电转换效率，起到节能高效的作用。

Description

一种纳米二氧化钛—生物蛋白复合膜电极的制法及应用

技术领域

本发明属于材料及生物工程领域，涉及一种纳米二氧化钛-生物蛋白复合膜电极的制造方法及该方法的应用。

背景技术

纳米二氧化钛因具有体相材料所无法比拟的特异性质与优良性能而成为广泛研究的一类纳米半导体材料，其在光电转换、电致变色，光催化等领域有着良好的应用前景。以纳米二氧化钛多孔膜为材料制作的光电极具有较高的光电转换效率、较大的工作电流密度与良好的稳定性，常被应用于太阳能电池的研究与开发中。纳米二氧化钛多孔膜电极既可以作为有效的固定生物光敏蛋白的载体，又可以通过与光敏蛋白发生部分能级的耦合而起到被敏化的作用。形成的纳米材料—生物蛋白复合膜可以充分有效地拓宽光的吸收波长而大幅提高光电转换效率，在生物蛋白的理论研究与生物光电器件的开发应用上有着巨大的潜在应用价值。

纳米二氧化钛多孔膜电极的制备方法通常包括：化学气象沉积法、热蒸镀法、等离子体喷涂法、射频溅射法、热解法、溶胶——凝胶法和电沉积法等(B.O’Regan，J.Moser，M.Anderson，M.Gratzel，J.Phys.，Chem.，1990，94，8720；M.Dolata，P.Kedzierzawski，J.Augustynski，Electrochim.，Acta，1996，41，1287；L.Kavan，B.O’Regan，A.Kay，M.Grtzel，J.Electroanal.Chem.，1993，346，291)。溶胶——凝胶法因制备过程较为简单而应用最为普遍，但同时也存在着容易引入Ti3+的干扰而影响电极的光电化学性能(T.Yoko，K.Kamiya，S.Sakka，Yogyo Kyokai shi，1987，95，150)。有关纳米二氧化钛多孔材料的制备专利国内外均有大量报道，但针对固定生物分子而设计并应用于构建生物复合材料的专利却并不多见。陈旭和董绍俊(中围专利专利申请号：01128285.1，公开号：CN 1346983A)最近报道了将异丙基钛水解制得的氧化钛溶胶与含酶的聚乙烯醇接枝4-2乙烯基吡啶水溶液混合，混匀后滴涂于电极表面，待其固化后可得到含酶的均匀胶膜。然而，该专利报道的二氧化钛溶胶——凝胶在PH值上呈酸性，而光敏蛋白通常在中性，甚至略偏碱性的环境下才具有最佳的光电转换效率；且在电极面积较大时又较难保证膜的均匀性与平整性。因而该方法并不适合应用于光敏蛋白的固定和修饰上。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种制备纳米二氧化钛—生物蛋白复合膜电极的方法。

本发明的另一个目的是提供一种纳米二氧化钛—生物光敏蛋白复合膜电极。

在本发明的一方面，提供了一种纳米二氧化钛—生物蛋白复合膜电极的制备方法：利用电沉积法制备纳米二氧化钛薄膜电极，并用其吸附固定生物蛋白制得纳米二氧化钛—生物蛋白复合膜电极。

该制备方法可以通过下面的具体步骤实现：

(1)在避光、通氮除氧条件下，制备不含Ti⁴⁺、PH值为1.5～3.0的Ti³⁺溶液；

(2)在避光与除氧条件下，以步骤(1)中制备的Ti³⁺溶液为电解液，导电玻璃为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞为参比电极，电沉积TiO₂；

(3)清洗干燥步骤(2)中得到的镀有TiO₂膜的导电玻璃，并在氮气或空气气氛中350℃～450℃恒温1～2小时，使得到的TiO₂为锐钛矿型，颗粒直径分布在30～50nm；

(4)冷却步骤(3)中得到的TiO₂膜至室温，将其置于浓度为0.5～2mM的生物蛋白溶液中，使蛋白吸附于膜上以制得二氧化钛—生物蛋白复合膜电极。

其中，步骤(1)中的Ti³⁺溶液可以是稳定的TiCl₃、TiBr₃等溶液，溶液中的Ti³⁺浓度控制在100mM～200mM之间效果较好；调节PH值可以通过缓慢滴加一定浓度除过氧的KOH或K₂CO₃等溶液；Ti³⁺溶液中还可以加入阳离子表面活性剂，如十六烷基三甲基溴化铵等，表面活性剂与Ti³⁺的摩尔比应为0-20％。

步骤(2)中电沉积可以在搅拌或不搅拌状态下进行，控制电位小于0.15V，可小至0.01V，时间为16～60分钟，所用的导电玻璃最好是氧化铟锡(ITO)导电玻璃。

步骤(3)中镀有TiO₂膜的导电玻璃在高温焙烧恒温前的升温速率最好设定在3～5℃/s之间。

步骤(4)中蛋白溶液较好的是该蛋白的弱碱性Tris-HCl溶液；吸附固定过程在4℃下进行效果较好，时间可以为1～4天。

利用本发明制备的电沉积二氧化钛膜电极具有良好的透光性、均匀性与稳定性，可用于吸附固定各类生物蛋白分子，如反应中心蛋白RC或细菌视紫红质BR等。

该复合膜电极可以在干态或同种蛋白的稀溶液中于4℃冰箱内保存待用。

本发明的另一个方面，提供了一种纳米二氧化钛——生物光敏蛋白复合膜电极，该电极就是采用上述方法，将光敏蛋白吸附固定在纳米二氧化钛多孔膜电极上制成的。

本发明中，吸附固定生物光敏蛋白后形成的纳米二氧化钛—生物光敏蛋白复合膜电极可以充分有效地拓宽对光的吸收波长范围，弥补了传统半导体光电材料在红光区及红外区无吸收的缺陷，为生物光电器件的研究与开发提供了借鉴。将其应用于太阳能电池、光控开关等器件的制造上，可增大灵敏度，大幅提高光电转换效率，起到节能高效的作用。

具体实施方式

实施例1

量取15％的TiCl₃溶液5ml，加入约20ml纯水，通N₂约20min左右除氧。在搅拌、避光和通氮气下缓慢滴加10％的K₂CO₃溶液至PH值为2左右，在上述条件下缓慢加入十六烷基三甲基溴化铵约0.046g，继续用K₂CO₃溶液调节PH值至2.40。配制的TiCl₃溶液中十六烷基三甲基溴化铵与TiCl₃的摩尔比接近5％。以上述TiCl₃溶液为电解液，八块面积相同，约1.5cm×2.5cm的ITO导电玻璃为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞为参比电极，在静止状态下，控制电位为0.1V，时间为40min电沉积TiO₂，整个过程需避光与除氧。反应停止后，得到的TiO₂膜经纯水清洗及烘箱干燥后放入马福炉中程序升温至450℃(升温速率为5℃/s)，并在该温度下，氮气气氛中恒温1.5小时。在TiO₂膜冷却接近室温后，将其置于浓度为2mM的紫细菌光和反应中心蛋白RC(提取自紫细菌Rb.Sphaeroides的野生菌株RS601，由中科院上海植物生理研究所提供)的pH 8.0Tris-HCl缓冲液中。在4℃冰箱内吸附3天后得到纳米二氧化钛——细菌光和反应中心蛋白复合膜电极。该条件下制备的TiO₂电极为锐钛矿型的纳米晶薄膜，并具有一定的孔结构，其对紫细菌光和反应中心蛋白RS601具有良好的固定作用。在8mM的连二亚硫酸钠的Tris-HCl溶液中以60W的白织灯为光源，测得的纳米二氧化钛——细菌光和反应中心蛋白复合膜电极的短路光电流约为2.5微安，是相同条件下制备和测试的纳米二氧化钛电极短路光电流(1.5微安)的1.67倍。该生物复合膜电极保存于4℃冰箱内，在2个月内表现出良好的稳定性与重复性。

实施例2

量取15％的TiCl₃溶液5ml，加入约20ml纯水，通N₂约20min左右除氧。在搅拌、避光和通氮气下缓慢滴加0.5M的KOH溶液至PH值为2左右，在上述条件下缓慢加入十六烷基三甲基溴化铵约0.069g，继续用KOH溶液调节PH值至2.40。配制的TiCl₃溶液中十六烷基三甲基溴化铵与TiCl₃的摩尔比接近8％。在自制的八通道电解池中，以上述TiCl₃溶液为电解液，八块面积相同，约1.5cm×2.5cm的导电玻璃(ITO)为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞为参比电极，在静止状态下，控制电位为0.15V，时间为30min电沉积TiO₂，整个过程需避光与除氧。反应停止后，得到的TiO₂膜经纯水清洗及烘箱干燥后放入马福炉中程序升温至350℃(升温速率为5℃/s)，并在该温度下，氮气气氛中恒温1.5小时。在TiO₂膜冷却接近室温后，将其置于浓度为1.5mM的紫细菌光和反应中心蛋白RC(提取自紫细菌Rb.Sphaeroides的野生菌株RS309，由中科院上海植物生理研究所提供)的pH 8.0 Tris-HCl缓冲液中。在4℃冰箱内吸附3天后得到纳米二氧化钛——细菌光和反应中心蛋白复合膜电极。该条件下制备的TiO₂电极为部分锐钛矿型的纳米晶薄膜，具有一定的孔结构，其有序性要好于实施例一，但膜也更容易发生部分开裂。该TiO₂电极对紫细菌光和反应中心蛋白RS309具有良好的固定作用。在8mM的连二亚硫酸钠的Tris-HCl溶液中以60W的白织灯为光源，测得的纳米二氧化钛——细菌光和反应中心蛋白复合膜电极的短路光电流约为3.4微安，是相同条件下制备和测试的纳米二氧化钛电极短路光电流(1.2微安)的2.83倍。该生物复合膜电极保存于4℃冰箱内，在2个月内表现出良好的稳定性与重复性。

实施例3

二氧化钛的制备及处理过程同实施例二。在TiO₂膜焙烧冷却接近室温后，将其置于浓度为1.2mM的紫细菌光和反应中心蛋白RC(提取自紫细菌Rb.Sphaeroides的野生菌株R26，由中科院上海植物生理研究所提供)的pH 8.0 Tris-HCl缓冲液中。在4℃冰箱内吸附3天后得到纳米二氧化钛——细菌光和反应中心蛋白复合膜电极。在8mM的连二亚硫酸钠的Tris-HCl溶液中以60W的白织灯为光源，测得的纳米二氧化钛——细菌光和反应中心蛋白复合膜电极的短路光电流约为2.8微安，是相同条件下制备和测试的纳米二氧化钛电极短路光电流(1.2微安)的2.33倍。该生物复合膜电极保存于4℃冰箱内，在2个月内表现出良好的稳定性与重复性。

实施例4

量取12％的TiBr₃溶液5ml，加入约20ml纯水，通N₂约20min左右除氧。在搅拌、避光和通氮气下缓慢滴加0.5M的KOH溶液至PH值为1.5左右，在上述条件下缓慢加入十六烷基三甲基溴化铵约0.087g，继续用KOH溶液调节PH值至2.00。配制的TiBr₃溶液中十六烷基三甲基溴化铵与TiCl₃的摩尔比接近11％。在自制的八通道电解池中，以上述TiCl₃溶液为电解液，八块面积相同，约1.5cm×2.5cm的导电玻璃(ITO)为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞为参比电极，在静止状态下，控制电位为0.08V，时间为50min电沉积TiO₂，整个过程需避光与除氧。反应停止后，得到的TiO₂膜经纯水清洗及烘箱干燥后放入马福炉中程序升温至400℃(升温速率为5℃/s)，并在该温度下，氮气气氛中恒温约2小时。在TiO₂膜冷却接近室温后，将其置于浓度为1.5mM的紫细菌光和反应中心蛋白RC(提取自嗜盐菌紫膜，由中科院上海植物生理研究所提供)的pH 7.8 Tris-HCl缓冲液中。在4℃冰箱内吸附4天后得到纳米二氧化钛—细菌视紫红质蛋白复合膜电极。在8mM的连二亚硫酸钠的Tris-HCl溶液中以60W的白织灯为光源，测得的纳米二氧化钛——细菌光和反应中心蛋白复合膜电极的短路光电流约为2.9微安，是相同条件下制备和测试的纳米二氧化钛电极短路光电流(1.2微安)的2.42倍。该生物复合膜电极保存于4℃冰箱内，在2个月内表现出良好的稳定性与重复性。

Claims (7)

1.一种制备纳米二氧化钛-生物蛋白复合膜电极的方法，其特征在于，采用电沉积法制备纳米二氧化钛多孔膜并用该膜吸附固定生物光敏蛋白，具体步骤如下：

(1)在避光、通氮除氧条件下，制备不含Ti⁴⁺、PH值为1.5～3.0的Ti³⁺溶液；

(2)在避光与除氧条件下，以步骤(1)中制备的Ti³⁺溶液为电解液，导电玻璃为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞为参比电极，电沉积TiO₂；

(3)清洗干燥步骤(2)中得到的镀有TiO₂膜的导电玻璃，并在氮气或空气气氛中350℃～450℃恒温1～2小时，使得到的TiO₂为锐钛矿型，颗粒直径分布在30～50nm；

(4)冷却步骤(3)中得到的TiO₂膜至室温，将其置于浓度为0.5～2mM的生物蛋白溶液中，使蛋白吸附于膜上以制得二氧化钛-生物光敏蛋白复合膜电极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的Ti³⁺溶液中Ti³⁺浓度为100mM～200mM。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中的Ti³⁺溶液中还含有阳离子表面活性剂，且该表面活性剂与Ti³⁺的摩尔比为0-20％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中电沉积的条件为：控制电位小于0.15V，时间为16～60分钟。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，镀有TiO₂膜的导电玻璃在高温焙烧恒温前的升温速率为3～5℃/s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中蛋白吸附固定过程在4℃下进行，时间为1～4天。

7.一种纳米二氧化钛-生物光敏蛋白复合膜电极，其特征在于，该复合膜电极用权利要求1所述的方法制得。