專利名稱:一種納米二氧化鈦－生物蛋白復(fù)合膜電極的制法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料及生物工程領(lǐng)域，涉及一種納米二氧化鈦-生物蛋白復(fù)合膜電極的制造方法及該方法的應(yīng)用。
納米二氧化鈦多孔膜電極的制備方法通常包括化學(xué)氣象沉積法、熱蒸鍍法、等離子體噴涂法、射頻濺射法、熱解法、溶膠——凝膠法和電沉積法等(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)。溶膠——凝膠法因制備過程較為簡單而應(yīng)用最為普遍，但同時也存在著容易引入Ti3+的干擾而影響電極的光電化學(xué)性能(T.Yoko，K.Kamiya，S.Sakka，Yogyo Kyokai shi，1987，95，150)。有關(guān)納米二氧化鈦多孔材料的制備專利國內(nèi)外均有大量報道，但針對固定生物分子而設(shè)計并應(yīng)用于構(gòu)建生物復(fù)合材料的專利卻并不多見。陳旭和董紹俊(中國專利專利申請?zhí)?1128285.1，公開號CN 1346983A)最近報道了將異丙基鈦水解制得的氧化鈦溶膠與含酶的聚乙烯醇接枝4-2乙烯基吡啶水溶液混合，混勻后滴涂于電極表面，待其固化后可得到含酶的均勻膠膜。然而，該專利報道的二氧化鈦溶膠——凝膠在PH值上呈酸性，而光敏蛋白通常在中性，甚至略偏堿性的環(huán)境下才具有最佳的光電轉(zhuǎn)換效率；且在電極面積較大時又較難保證膜的均勻性與平整性。因而該方法并不適合應(yīng)用于光敏蛋白的固定和修飾上。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種納米二氧化鈦—生物光敏蛋白復(fù)合膜電極。
在本發(fā)明的一方面，提供了一種納米二氧化鈦—生物蛋白復(fù)合膜電極的制備方法利用電沉積法制備納米二氧化鈦薄膜電極，并用其吸附固定生物蛋白制得納米二氧化鈦—生物蛋白復(fù)合膜電極。
該制備方法可以通過下面的具體步驟實(shí)現(xiàn)(1)在避光、通氮除氧條件下，制備不含Ti4+、PH值為1.5～3.0的Ti3+溶液；(2)在避光與除氧條件下，以步驟(1)中制備的Ti3+溶液為電解液，導(dǎo)電玻璃為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞為參比電極，電沉積TiO2；(3)清洗干燥步驟(2)中得到的鍍有TiO2膜的導(dǎo)電玻璃，并在氮?dú)饣蚩諝鈿夥罩?50℃～450℃恒溫1～2小時，使得到的TiO2為銳鈦礦型，顆粒直徑分布在30～50nm；(4)冷卻步驟(3)中得到的TiO2膜至室溫，將其置于濃度為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鈦—生物蛋白復(fù)合膜電極。
其中，步驟(1)中的Ti3+溶液可以是穩(wěn)定的TiCl3、TiBr3等溶液，溶液中的Ti3+濃度控制在100mM～200mM之間效果較好；調(diào)節(jié)PH值可以通過緩慢滴加一定濃度除過氧的KOH或K2CO3等溶液；Ti3+溶液中還可以加入陽離子表面活性劑，如十六烷基三甲基溴化銨等，表面活性劑與Ti3+的摩爾比應(yīng)為0-20％。
步驟(2)中電沉積可以在攪拌或不攪拌狀態(tài)下進(jìn)行，控制電位小于0.15V，可小至0.01V，時間為16～60分鐘，所用的導(dǎo)電玻璃最好是氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃。
步驟(3)中鍍有TiO2膜的導(dǎo)電玻璃在高溫焙燒恒溫前的升溫速率最好設(shè)定在3～5℃/s之間。
步驟(4)中蛋白溶液較好的是該蛋白的弱堿性Tris-HCl溶液；吸附固定過程在4℃下進(jìn)行效果較好，時間可以為1～4天。
利用本發(fā)明制備的電沉積二氧化鈦膜電極具有良好的透光性、均勻性與穩(wěn)定性，可用于吸附固定各類生物蛋白分子，如反應(yīng)中心蛋白RC或細(xì)菌視紫紅質(zhì)BR等。
該復(fù)合膜電極可以在干態(tài)或同種蛋白的稀溶液中于4℃冰箱內(nèi)保存待用。
本發(fā)明的另一個方面，提供了一種納米二氧化鈦——生物光敏蛋白復(fù)合膜電極，該電極就是采用上述方法，將光敏蛋白吸附固定在納米二氧化鈦多孔膜電極上制成的。
本發(fā)明中，吸附固定生物光敏蛋白后形成的納米二氧化鈦—生物光敏蛋白復(fù)合膜電極可以充分有效地拓寬對光的吸收波長范圍，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電材料在紅光區(qū)及紅外區(qū)無吸收的缺陷，為生物光電器件的研究與開發(fā)提供了借鑒。將其應(yīng)用于太陽能電池、光控開關(guān)等器件的制造上，可增大靈敏度，大幅提高光電轉(zhuǎn)換效率，起到節(jié)能高效的作用。
實(shí)施例2量取15％的TiCl3溶液5ml，加入約20ml純水，通N2約20min左右除氧。在攪拌、避光和通氮?dú)庀戮徛渭?.5M的KOH溶液至PH值為2左右，在上述條件下緩慢加入十六烷基三甲基溴化銨約0.069g，繼續(xù)用KOH溶液調(diào)節(jié)PH值至2.40。配制的TiCl3溶液中十六烷基三甲基溴化銨與TiCl3的摩爾比接近8％。在自制的八通道電解池中，以上述TiCl3溶液為電解液，八塊面積相同，約1.5cm×2.5cm的導(dǎo)電玻璃(ITO)為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞為參比電極，在靜止?fàn)顟B(tài)下，控制電位為0.15V，時間為30min電沉積TiO2，整個過程需避光與除氧。反應(yīng)停止后，得到的TiO2膜經(jīng)純水清洗及烘箱干燥后放入馬福爐中程序升溫至350℃(升溫速率為5℃/s)，并在該溫度下，氮?dú)鈿夥罩泻銣?.5小時。在TiO2膜冷卻接近室溫后，將其置于濃度為1.5mM的紫細(xì)菌光和反應(yīng)中心蛋白RC(提取自紫細(xì)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緩沖液中。在4℃冰箱內(nèi)吸附3天后得到納米二氧化鈦——細(xì)菌光和反應(yīng)中心蛋白復(fù)合膜電極。該條件下制備的TiO2電極為部分銳鈦礦型的納米晶薄膜，具有一定的孔結(jié)構(gòu)，其有序性要好于實(shí)施例一，但膜也更容易發(fā)生部分開裂。該TiO2電極對紫細(xì)菌光和反應(yīng)中心蛋白RS309具有良好的固定作用。在8mM的連二亞硫酸鈉的Tris-HCl溶液中以60W的白織燈為光源，測得的納米二氧化鈦——細(xì)菌光和反應(yīng)中心蛋白復(fù)合膜電極的短路光電流約為3.4微安，是相同條件下制備和測試的納米二氧化鈦電極短路光電流(1.2微安)的2.83倍。該生物復(fù)合膜電極保存于4℃冰箱內(nèi)，在2個月內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與重復(fù)性。
實(shí)施例3二氧化鈦的制備及處理過程同實(shí)施例二。在TiO2膜焙燒冷卻接近室溫后，將其置于濃度為1.2mM的紫細(xì)菌光和反應(yīng)中心蛋白RC(提取自紫細(xì)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緩沖液中。在4℃冰箱內(nèi)吸附3天后得到納米二氧化鈦——細(xì)菌光和反應(yīng)中心蛋白復(fù)合膜電極。在8mM的連二亞硫酸鈉的Tris-HCl溶液中以60W的白織燈為光源，測得的納米二氧化鈦——細(xì)菌光和反應(yīng)中心蛋白復(fù)合膜電極的短路光電流約為2.8微安，是相同條件下制備和測試的納米二氧化鈦電極短路光電流(1.2微安)的2.33倍。該生物復(fù)合膜電極保存于4℃冰箱內(nèi)，在2個月內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與重復(fù)性。
實(shí)施例4量取12％的TiBr3溶液5ml，加入約20ml純水，通N2約20min左右除氧。在攪拌、避光和通氮?dú)庀戮徛渭?.5M的KOH溶液至PH值為1.5左右，在上述條件下緩慢加入十六烷基三甲基溴化銨約0.087g，繼續(xù)用KOH溶液調(diào)節(jié)PH值至2.00。配制的TiBr3溶液中十六烷基三甲基溴化銨與TiCl3的摩爾比接近11％。在自制的八通道電解池中，以上述TiCl3溶液為電解液，八塊面積相同，約1.5cm×2.5cm的導(dǎo)電玻璃(ITO)為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞為參比電極，在靜止?fàn)顟B(tài)下，控制電位為0.08V，時間為50min電沉積TiO2，整個過程需避光與除氧。反應(yīng)停止后，得到的TiO2膜經(jīng)純水清洗及烘箱干燥后放入馬福爐中程序升溫至400℃(升溫速率為5℃/s)，并在該溫度下，氮?dú)鈿夥罩泻銣丶s2小時。在TiO2膜冷卻接近室溫后，將其置于濃度為1.5mM的紫細(xì)菌光和反應(yīng)中心蛋白RC(提取自嗜鹽菌紫膜，由中科院上海植物生理研究所提供)的pH 7.8 Tris-HCl緩沖液中。在4℃冰箱內(nèi)吸附4天后得到納米二氧化鈦—細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白復(fù)合膜電極。在8mM的連二亞硫酸鈉的Tris-HCl溶液中以60W的白織燈為光源，測得的納米二氧化鈦——細(xì)菌光和反應(yīng)中心蛋白復(fù)合膜電極的短路光電流約為2.9微安，是相同條件下制備和測試的納米二氧化鈦電極短路光電流(1.2微安)的2.42倍。該生物復(fù)合膜電極保存于4℃冰箱內(nèi)，在2個月內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與重復(fù)性。
權(quán)利要求
1.一種制備納米二氧化鈦—生物蛋白復(fù)合膜電極的方法，其特征在于，采用電沉積法制備納米二氧化鈦多孔膜并用該膜吸附固定生物蛋白。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)在避光、通氮除氧條件下，制備不含Ti4+、PH值為1.5～3.0的Ti3+溶液；(2)在避光與除氧條件下，以步驟(1)中制備的Ti3+溶液為電解液，導(dǎo)電玻璃為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞為參比電極，電沉積TiO2；(3)清洗干燥步驟(2)中得到的鍍有TiO2膜的導(dǎo)電玻璃，并在氮?dú)饣蚩諝鈿夥罩?50℃～450℃恒溫1～2小時，使得到的TiO2為銳鈦礦型，顆粒直徑分布在30～50nm；(4)冷卻步驟(3)中得到的TiO2膜至室溫，將其置于濃度為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鈦—生物蛋白復(fù)合膜電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于，步驟(1)中的Ti3+溶液中Ti3+濃度為100mM～200mM。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的方法，其特征在于，步驟(1)中的Ti3+溶液中還含有陽離子表面活性劑，且該表面活性劑與Ti3+的摩爾比為0-20％。
5.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于，步驟(2)中電沉積的條件為控制電位小于0.15V，時間為16～60分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于，鍍有TiO2膜的導(dǎo)電玻璃在高溫焙燒恒溫前的升溫速率為3～5℃/s。
7.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的方法，其特征在于，步驟(4)中蛋白吸附固定過程在4℃下進(jìn)行，時間為1～4天。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，該生物蛋白為生物光敏蛋白。
9.一種納米二氧化鈦—生物光敏蛋白復(fù)合膜電極，其特征在于，該復(fù)合膜電極用權(quán)利要求
1所述的方法制得。
專利摘要
本發(fā)明屬于材料及生物工程領(lǐng)域，涉及一種納米二氧化鈦－生物蛋白復(fù)合膜電極的制造方法及其應(yīng)用。該方法首先采用電沉積法制備納米TiO
文檔編號C12Q1/26GKCN1477389SQ03141612
公開日2004年2月25日 申請日期2003年7月15日
發(fā)明者孔繼烈, 陸一東, 劉寶紅, 張松 申請人:復(fù)旦大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan