细菌视紫红质-稀土上转换纳米粒子生物纳米体系的构建及其红外光电响应研究

摘要

细菌视紫红质(bacteriorhodopsin，bR)是嗜盐菌细胞膜上以碎片形式存在的紫膜(Purple membrane，PM)中的跨膜蛋白。它是一种光敏蛋白，在光照下能通过光循环过程，驱动质子定向移动，并将光能转化为化学能，是一类天然的、易于获取的能量转换器。自1971年被首次发现以来，人们逐渐对其功能特性、结构等进行了广泛而深入的研究。bR的主要功能有:光驱动质子泵功能、光电响应功能、光致变色功能等，其中，伴随光驱动质子移动产生的光电响应功能是研究的热点。到目前为止，由于bR自身的特点，人们对其光电响应方面的研究还集中于用可见光触发，这既约束了对bR进行研究的光学波长区间范围，又不利于这种潜力巨大的光敏生物材料的发展应用。本文将bR与上转换发光材料(Upconversional nanoparticles，UCNPs)结合在一起，构建了一种红外光触发bR驱动质子泵功能进而产生光电信号的体系，首次将细菌视紫红质光电响应范围拓展到了红外光区，并且对该体系中的光电响应模式作了进一步研究。
　　本研究主要内容包括：⑴嗜盐菌(Halobacterial halobium S9)的培养和bR的提取。本研究首先进行了嗜盐菌的接种培养，然后通过收集菌体、酶解、破膜、去除杂质、清洗、蔗糖密度梯度离心等过程获得了bR生物材料。紫外可见吸收光谱、原子力显微镜的表征证实制备的bR可用于后续光电实验研究。依据朗伯比尔定律计算，实验提取的bR浓度为1.65 mg/mL，也可满足后续的实验要求。⑵构建基于bR/UCNPs的光电器件，实现bR的红外光触发光电响应。以水热法合成了聚乙烯亚胺修饰、铒掺杂的钇氟酸钠UCNPs，对该材料的形貌、粒径、晶形、荧光峰位置和发光强度进行了相关表征，证实其可用于后续光电器件的构建。在红外光激发下，UCNPs发射出波长在bR光响应范围内的可见光，从而触发bR产生光电信号。实验中从转化红外光、透过可见光、过滤红外光到检测光电信号等过程，均在一个装置中实现的，因此也提供了一种搭建光电传感器的新思路。⑶制备发射蓝光、绿光的UCNPs，并将其与bR结合，把红外光触发下bR的光电响应信号由瞬时脉冲模式调整为连续方波模式。制备以钇氟酸钠为基质、柠檬酸钠辅助的UCNPs，并通过调整掺杂元素的种类，获得红外光激发下，分别发出蓝光（波长范围450～500nm）和绿光(波长范围520～580nm)的材料。实验证实，该材料具有良好的发光性能，为规则的六棱柱，且晶体结构生长完整、粒径均一。将上述两种UCNPs按照一定比例与bR结合后，构建了纳米复合光电响应器件。在红外光激发下，混合的UCNPs能同时发出蓝光和绿光，其中绿光激发bR进入光循环由基态转化到M态，而蓝光则促进M态回到基态。整个过程伴随发生质子的连续泵出和捕获，在电极附近形成持续、不平衡的质子电化学梯度变化，从而改变了单一波长激发下，bR只能转化光能为瞬态电容电流的模式，获得了红外光照射下持续的光电流信号。该研究首次实现了通过单一红外光源获得bR持续的光电流信号。⑷本研究证明了通过与UCNP的结合将bR的光电响应范围调整到红外光区，并进一步调整其光电响应模式是可行的，这为bR和UCNP提供了新的应用途径。本研究可能会为bR在红外光控生物分子开关、光电转换装置、太阳能电池等方面应用提供新的可能。此外，将bR与pH敏感聚合物结合，还可能实现红外光控药物的靶向释放。

目录

声明

摘要

缩写符号对照表

1．绪论

1．1 细菌视紫红质

1．1．1 细菌视紫红质概述

1．1．2 细菌视紫红质基本结构

1．1．3 细菌视紫红质的生物功能

1．1．4 bR的研究进展

1．2 稀土上转换纳米材料

1．2．1 上转换发光材料简介

1．2．2 稀土上转换材料发光机理

1．2．3 稀土上转换纳米材料的研究进展

1．3 本课题研究的意义和主要内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 主要内容

2．嗜盐菌的培养和细菌视紫红质的提取

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与材料

2．2．2 仪器

2．2．3 嗜盐菌的培养

2．2．4 细菌视紫红质的提取

2．3 结果与讨论

2．3．1 紫外可见吸收光谱表征

2．3．2 AFM表征

2．4 结论

3．上转换荧光纳米粒子——细菌视紫红质光电器件的制备及其红外光电响应

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与材料

3．2．2 仪器

3．2．3 PEI修饰的NaYF4∶Yb3+，Er3+上转换纳米材料的制备

3．2．4 上转换荧光纳米粒子／细菌视紫红质光电器件的组成和制作

3．2．5 实验的测试过程

3．3 结果与讨论

3．3．1 材料的表征

3．3．2 红外光对照实验

3．3．3 绿光对照实验

3．3．4 红外光电响应信号检测

3．3．5 光电响应过程和原理

3．4 结论

4．基于上转换荧光粒子——bR复合膜的红外触发方波电流的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与材料

4．2．2 仪器

4．2．3 上转换纳米材料的制备

4．2．4 上转换荧光纳米粒子／细菌视紫红质光电转换器件的制备

4．2．5 实验的测试方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 上转换纳米材料的表征

4．3．3 对照控制

4．3．4 两种材料混合比例优化及对应红外光响应检测

4．3．3 红外光光响应过程和原理

4．4 结论

5．全文总结及展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间科研成果