（物理化学专业论文）大麦原生质体光电化学及电生孔研究.pdf

复且大学硕七学位论文 摘要 本文对大麦原生质体在金电极表面的固定及其光电化学性质做了研究，给 出了利用聚电解质成功固定大麦原生质体的方法，在此基础上，检测到大麦原 生质体的光电响应。本文研究了大麦叶绿素敏化纳米晶 r i o ：的光电行为，发现 纳米t i o ，的光电转换效率在叶绿素敏化下有较大提高。本文还通过荧光显微照 片给出了细胞电生孔和电渗透的直观概念。并初步研究了紫外光照下细胞内纳 米t i o ，对叶绿素的分解作用。 首先本文研究了大麦原生质体在金电极表面的固定化。( 在金电极表面组装 层带正电荷的聚电解质氯化聚二烯丙基甲基铵( p o l y ( d i a l l a l d i m e t h y l a m m o n i u mc h l o r i d e ) ，p d a d m a c ) p d a d m a c ) 膜，形成p d a d m a c a u 修饰 电极，在该膜上再通过静电作用吸附组装一层表面带负电荷的大麦原生质体， 使之形成大麦原生质体p d a d m a c a u 修饰电极。 利用电化学石英晶体微天平对p d a d m a c 在金电极表面以及大麦原生质体 在p d a d m a c a u 电极表面的吸附过程进行了现场研究，发现石英天平的频率 均有明显变化，证明了大麦原生质体在p d a d m a c a u 表面的成功吸附。实验 结果显示p d a d m a c 膜厚度为2 4 n m ，同时共聚焦荧光显微镜拍摄到的 p d a d m a c a u 电极表面大麦原生质体荧光照片也证实了大麦原生质体在 p d a d m a c a u 电极表面的成功吸附。 以a g a g c l 作参比电极，铂电极作对电极，0 5 m o ll 。甘露醇+ 0 5 m o ! l1 k c l 溶液作参比溶液，a u 电极，p d a d m a c a u 电极，大麦原生质体p d a d m a c a u 电极分别作工作电极，在2 5 0 w 卤钨灯( 2 0 0 8 0 0 n m ) 光照下，检测其光电响应， 发现a u 电极，p d a d m a c a u 电极均无明显光电响应，只有大麦原生质体 p d a d m a c a u 电极有明显光电响应，其光电流在n a 级。本文对大麦原生质 体p d a d m a c a u 电极的光电性质进行了讨论。该方法利用静电作用将大麦原 生质体固定到金电极表面，并检测到n a 级光电流。提供了一种方便快捷地将 活体细胞固定到电极表面以研究其电化学性质的新方法? 7 复旦= 学硕士学位论文 其次，本文研究了大麦叶绿素敏化纳米晶t i o ：的光电性质。& 现在o 5 v + 0 5 v ( v s a g a g c i ) 范围内，由于叶绿素对光的吸收，光电流发生较大的增加， 然而在o 5 v 1 5 v 范围内，叶绿素对光电流的增加贡献不大，推测可能与叶绿 素在较正电极电位时脱附有关。并对叶绿素敏化纳米t i o ：的机理进行了讨论。毒 最后，本文初步探讨了纳米晶t i o ，罗丹明染料及荧光葡聚糖对大麦原生 质体的电渗透。f 利用共聚焦荧光显微镜拍摄到荧光葡聚糖对大麦原生质体电渗 l 透的荧光照片，间接证明了细胞电生孔现象。在此基础上，将纳米t i o ，和罗丹 明染料电渗透进入到大麦原生质体内部，并用紫外灯进行光照，测定大麦原生 质体溶液在电渗透前后及光照前后u v v i s 光谱图。证明了纳米t i o ，和罗丹明 染料对大麦原生质体的电渗透，并且发现经紫外灯光照，大麦原生质体内部的 纳米t i o ：对叶绿素有光催化分解作用。进一步细致深入的研究通过电渗透进入 到细胞内部的纳米t i o ：对细胞的光催化分解作用是必要的。 从纳米t i o ：和罗丹明对大麦原生质体的电渗透及光催化分解作用得到启 发，我们计划探索肿瘤细胞内纳米t i o ：对肿瘤细胞的光催化分解作用，试图找 到一种纳利用米t i o ：电渗透和光电催化( 或结合电渗透引入药物) 抗肿瘤的方 法。这个工作可能具有挑战性和现实意义。1 x 关键词：大麦原生质体；光电流，叶绿素i 纳米t i o ：j 电生孔i 电渗透： ；、越d 6 砧 本课题得到了国家自然科学基金的资助。 复旦大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i sw a sf o c u s e do nt h ei m m o b i l i z a t i o no fb a r l e yp r o t o p l a s t so n ap o l y e l e c t r o l y t em o d i f i e dg o l de l e c t r o d ea n dt h ep h o t o e l e c t r i cb e h a v i o ro fp r o t o p l a s t s an o v e lm e t h o dt oi m m o b i l i z eb a r l e yp r o t o p l a s tw a sd e v e l o p e da n do i lt h eb a s eo f t h i sm e t h o dw em e a s u r e dt h ep h o t o c u r r e n to fb a r l e yp r o t o p l a s t s i nt h es e c o n dp a r to f t h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t e dt h ep h o t o e l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r so fn a n o c r y s t a l l i n e t i 0 2p h o t o s e n s i t i z e db yb a r l e yc h l o r o p h y l l a n df o u n dt h a tt h ee f f i c i e n c yo f p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nh a d b e e nd r a m a t i c a l l yi n c r e a s e db yt h ep h o t o s e n s i t i z a t i o no f b a r l e yc h l o r o p h y l l i nt h el a s tp a r t ，w es t u d i e dt h ee l e c t r o p e r m e a b i l i z a t i o no fb a r l e y p r o t o p l a s tb yf l u o r e s c e n c em i c r o s c o p i cm e t h o da n du v v i ss p e c t r o g r a p h i cm e t h o d f i r s t ，w es t u d i e d t h ei m m o b i l i z a t i o no fb a r l e y p r o t o p l a s t s o n g o l d e l e c t r o d e p o s i t i v e l yc h a r g e dp o l y e l e c t r o l y t ep o l y ( d i a u y l d i m e t h y l a m m o n i u mc h l o r i d e ) ( p d a d m a c ) w a sa s s e m b l e do nt h eg o l de l e c t r o d et og e tp d a d m a c a um o d i f i e d e l e c t r o d e a f t e rt h a t ，n e g a t i v e l yc h a r g e db a r l e yp r o t o p l a s tw a sa s s e m b l e do nt h el a y e r o fp d a d m a c b ye l e c t r o s t a t i cf o r c ea n dw eg o tt h eb a r l e yp r o t o p l a s t p d a d m a c a u m o d i f i e de l e c t r o d e t h er e s u l to fe l e c t r o c h e m i c a lq u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ( e q c m ) m e t h o ds h o w st h e t h i c k n e s so fa d s o r b e df i l mo fp d a d m a ci sa b o u t2 4n m w ei n v e s t i g a t e dt h e a d s o r p t i o n o fp d a d m a co n g o l d e l e c t r o d ea n d b a r l e yp r o t o p l a s t s o n p d a d m a c a ue l e c t r o d eb ve o c ma n dc vm e t h o d se xs i t u t h e s er e s u l t ss h o wt h a t b a r l e yp r o t o p l a s t s h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y i m m o b i l i z e do nt h es u r f a c eo f p d a d m a c a ue l e c t r o d e a n dt h ef l u r o s c e n c ei m a g eo fb a r l e yp r o t o p l a s tw h i c hi so n t h es u r f a c eo fg o l de l e c t r o d ea l s od e m o n s t r a t e st h a t w h e nu s i n ga g a g c le l e c t r o d ea sar e f e r e n te l e c t r o d e ，p te l e c t r o d ea sac o u n t e r e l e c t r o d e ，g o l d e l e c t r o d ep d a d m a c ，p d a d m a c a ue l e c t r o d ea n d b a r l e y p r o t o p l a s t p d a d m a c a ue l e c t r o d ea saw o r ke l e c t r o d er e s p e c t i v e l y ，w em e a s u r e d t h ep h o t o c u r r e n to ft h e s ew o r ke l e c t r o d e sw i t ha2 5 0 wh a l o t u n g s t e nl a m po n w e f o u n dt h a to n l yb a r l e yp r o t o p l a s t s p d a d m a ca uh a dap h o t o c u r r e n ta b o u t1 0n a ， a n dt h e r ew e r ea l m o s tn o p h o t o c u r r e n td e t e c t e df o rg o l d a n dp d a d m a c a u e l e c t r o d e s t h ep h o t o e l e c t r i cb e h a v i o ro fb a r l e yp r o t o p l a s t p d a d m a c a ue l e c t r o d e 3 复旦大学硕士学位论文 w a sd i s c u s s e d t h ee l e c t r o s t a t i ca s s e m b l ym e t h o dp r o v i d e sac o n v e n i e n ta n dq u i c k t e c h n i q u et oi m m o b i l i z i n gc e l l s o ro t h e rb i o p a r t i c l e so ne l e c t r o d et os t u d yt h e i r e l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r s s e c o n d ，w es t u d i e dt h ep h o t o e l e c t r i cb e h a v i o ro fn a n o c r y s t a l l i n et i 0 2p h o t o s e n s i t i z e d b yb a r l e yc h l o r o p h y l l b e t w e e n - 0 5 va n d + o 5 v ( v sa g c l ) ，t h ep h o t o c u r r e n tw a s i n c r e a s e dg r e a t l yb e c a u s eo ft h ep h o t o s e n s i t i z a t i o no fc h l o r o p h y l l h o w e v e r , f r o m + 0 5 vt o + 1 5 v , t h e r ew a sn o tm u c hi n c r e a s ei nt h e p h o t o c u r r e n t o fb a r l e y c h l o r o p h y l l t i 0 2e l e c t r o d e t h ed e s o r p t i o no fc h l o r o p h y l lm a y b ea t t r i b u t e d t ot h i s p h e n o m e n o n t h em e c h a n i s mo fn a n o c r y s t a l l i n et i 0 2p h o t o s e n s i t i z e db yb a r l e y c h l o r o p h y l lw a sd i s c u s s e d l a s t ，w ei n v e s t i g a t e dt h ee l e c t r o p o r a t i o no fn a n o c r y s t a l l i n et i 0 2 ，r h o d a m i n e d y e ， a n df - d xi n t o b a r l e yp r o t o p l a s t s t h ef l u o r e s c e n c ei m a g eo ft h eb a r l e y p r o t o p l a s t t a k e na f t e r e l e c t r o p u l s a t i o n d e m o n s t r a t e d e l e c t r o p e r m e a b i l i z a t i o n t h e u v v i s s p e c t r o g r a mo fb a r l e yp r o t o p l a s t s ，t i 0 2 ，r h o d a m i n ea n dt h ee l e c t r o p u l s e db a r l e y p r o t o p l a s t sa l s od e m o n s t r a t e de l e c t r o p e r m e a b i l i z a t i o n w ef o u n da f t e rt h ei r r a d i a t i o n o fu v l i g h to nt h ee l e c t r o p u l s e db a r l e y p r o t o p l a s t sf o rd i f f e r e n tt i m e t h ev a l u eo f 5 5 5 5n mp e a ko fu v v i ss p e c t r o g r a md e c r e a s e d i t sa t t r i b u t e dt ot h ed e c o m p o s i t i o n o fr h o d a m i n e b ys t r o n go x i d a t i o no ft i 0 2u n d e ru v l i g h t i t sn e c e s s a r yt od om o r e w o r ko nt h i sp r o g r a mt og e tm o r ei n f o r m a t i o ns u c ha st h ek i n e t i cm e c h a n i s mo ft h i s p r o c e s se t c n o ww ea r ee x p l o r i n gt h el i g h td e c o m p o s i t i o no ft i 0 2o nb a dm a t e r i a l si nt u m o rc e l l s a n dh o p et of i n dam e t h o dt ok i l lt u m o r t h i sw o r ki sc h a l l e n g ea n dp r a c t i c a l m o r e r e s e a r c hi sn e e d e d k e y w o r d s ：b a r l e y p r o t o p l a s t ，p h o t o c u r r e n t ，c h l o r o p h y l l ，n a n o c r y s t a l l i n et i 0 2 e l e c t r o p o r a t i o n ，e l e c t r o p e r m e a b i l i z a t i o n t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a 4 复旦大瓤胖位论文 绪论 太阳给我们带来了光明和温暖，这是大家很容易感受到的。其实，太阳和 我们的关系远比这还要深厚得多，其中一个非常重要的环节就是通过植物的光 合作用联系起来的。 1 9 8 8 年底诺贝尔奖委员会宣布德国三位光合作用工作者得奖的评语中称光 合作用是”地球上最重要的化学反应”。光合作用是绿色植物将太阳光能转化为 化学能的过程。它开始于光合反应中心( r c s ) 的电荷分离过程。它的重要性是因 为地球上所有的生物系统完全要靠光合作用储藏的化学能来维持生命1 ，2 1 。 光合作用在生物圈中有着极其重要的意义。一方面光合作用中太阳能将二 氧化碳和水分子中的氢转变成具有较高能量的有机化合物，同时还释放氧到大 气中去( 经历了四亿年的演化达到目前大气中的2 1 氧) 。另一方面，“异养生 物”( 包括人类) 将植物光合作用产生的化合物氧化去产生a t p 。a t p 是异养生物 一切生命活动( 机械功，化学功，电功，渗透功) 的能源。 丑 l “。 许壤体 类羹簇 擎璇 光合律秀 f i g 1t h es c h e m eo fp h o t o s y n t h e s i s 图1 光合作_ l f j 幽 复旦大学硕j 二学位论文 光合作用不是一个单反应，而是包括一系列连续的光化学和化学反应。整 个光合反应过程表面上看来是非常复杂的。不过下面可以看到，当我们了解了 个别反应的机理后，这些复杂的反应也并不是杂乱无章的。 植物和藻类的光合作用可以用下列反应式表达： c o ，+ h ，0 + 光能一( c h ，0 ) + 0 2 这个反应式表明，绿色植物可以用太阳的光能将水分子用作还原剂去还原 大气中的二氧化碳而生成以( c h ，0 ) 代表的碳水化合物( 糖，淀粉等) ，同时水 分子被氧化而释放出氧分子，每克分子二氧化碳或水分子经历这个反应后可贮 藏1 1 4k c a l 的标准自由能f g o ) 。 1 9 4 1 年v a nn i e l 对上述植物和藻类或光合细菌的光合反应在概念上提出了 一个非常重要的看法。那就是，在光合作用过程中，底物( 在绿色植物和藻类旱 是h ：o ，在光合细菌里是别种还原物质( h ，a ) ) 被吸收的光能活化后，它的氢可以 被抽取出来作为还原剂。 光合作用是在绿色植物叶子里的“叶绿体”内发生的。光合作用的第一步是 叶绿体里的叶绿素吸收光能，这吸收的光能使叶绿素分子的电子上升到激发态，同 时这激发能在叶绿素分子间传递，一直等到激发能传递到个叫做“原始电子供 体”的特殊叶绿素分子，后者可失去一个电子，结果变成个带j 下电的分子，一 个邻近的电子受体分子接受了这个电子后生成一个带负电荷的分子，这个吸收 光子后的变化叫做“电荷分离”。因为这样分离的正电荷和负电荷也可以相应地 看作是氧化剂和还原剂。电荷分离是光能转变成化学能的主要过程。 p 。c h l a 】4 - h v 一 p c h l 4 a 】一 p + c h l a 】- p + c h l a 】( 1 ) 这里c h l 代表“集光叶绿素”，p 代表“原初电子供体” a 代表“原初电子受 体”，反应式( 1 ) 显示叶绿素分子吸收的光能可产生一个带正电荷的和带一个负电 荷的分子p + 和a - 。包含激光叶绿素和原初电子供体和受体的集团也叫做“反应 中心”。 绿色植物的光合作用是由这两个光化学反应联合起来发生的，“光系统i ” 的反应中心里的电荷分离可表达如下： 【p i 。c h l 。a t 】+ h v 一 p 。c h l a i 】- p 。c h l a 。】一 p + i c h l a - 。】( 2 ) “光系统i i ”的反应中心吸收光能后的电荷分离可以类似地写为： 【p - c h l a j j + h v 一【p n c h l 。a j j 】一【p 。c h l a j j 】一 p + 。c h l a ，i 】( 3 ) 上述两个反应式里，电子供体和电子受体仅翻转一次。在实际光合作用罩， 这种电荷分离一定要不断地反复地发生。这就要求，所生成的带正电荷分子必 须重新还原，带负电荷的分子必须重新氧化，使反应中心复原或更新。在这以 复旦大学硕士学1 芷论文 后，当叶绿素分子再吸收光子后，电荷分离又可以发生了。 丽、胪 戬旷一 7 弋_ 一、p t l y o p + p i f i g2t h es c h e m eo fp h o t o s y s t e mia n dp h o t o s y s t e m1 i 图2 光系统i 和1 1 示意图 绿色植物的整个光合作用就是由上述两个光系统( 图2 ) 联合起来再加上适 当的次级电子供体和受体产生的。详细过程参见文献1 1 】。 多年来，出于理论研究及实际应用的需要，生物体系( 包括叶绿体，内囊体 膜，光合细菌等) 内部光合作用以及用色素分子敏化半导体材料的光电转换过 程研究非常活跃，在这方面科学工作者作了大量研究f 3 2 5 1 。 w i e s l a w 等人报道【1 7 】，在l m o l lk c l 水溶液体系中，以铂电极为对电极 用氙弧灯照射沉积在铂电极上的玉米黄质时产生了n a 级的光电流。作者认为 在玉米黄质中起主要光电转换作用的就是胡萝h 素( 叶绿素所含色素的一种) ， 而且并非所有的玉米黄质都对光电流有贡献，而只是紧靠铂电极的那一部分才 对光电流有作用。因为他们发现当玉米黄质的厚度增加一倍时，光电流却减半。 t a k e s h i 等人以可发生光合作用的r h o d o p s e u d o m o n a sv i r i d i s ( a t c c l 9 5 6 7 ) 的 色素细胞为光电转换的研究对象，产生了m v 级的光电压。他们认为主要是吸 收的光( 卤钨灯，1 0 2 0 n m ) 引起了反应中心的电荷分离过程，产生的电子在以 甲基紫精为介质的基体上发生定向移动，从而形成了光电流。光电流的大小随 光照的强度增加而呈近似的直线上升趋势。而且光电流随光照射发光基体的方 向不同而不同。 s h u i c h ia j i k i 等同样以r h o d o p s e u d o m o n a sv i r i d i s 的色素细胞为研究对象 i 气 耐爷嘞 舫 筑_ 湖 o 晒 加 一 _ 一 复旦大鞭僦敝 7 1 ，将其与含有不同浓度比的k 4 f e ( c n ) 。】及k ， f e ( c n ) 。】的琼脂制成冻胶，在 2 5 0 w 卤钨灯照射下，产生m v 级的光电压，发现k f e ( c n ) 。】浓度为0 2 5 m o l l 时的光电效应大。作者认为以k 。 f e ( c n ) 。1 为电子供体，光致电荷分离过程产生 的电予以k 4 f e ( c n ) 。】及k ： f e ( c n ) 。 为介质，向光电池的另一端扩散。而且发现 使用琼脂冻胶比单纯使用k 4 f e ( c n ) 。1 溶液产生的光电效应大近百倍。 周瑞龄等人以叶绿素a 二水多聚体作为光敏剂，制成聚乙烯醇薄膜夹心电 池，在2 5 0 w 溴钨灯的光照下产生了m v 级的光电压，他们认为所加的氢醌为 电子供体，光电压的大小与氢醌的浓度有关 1 9 ，2 0 ，2 1 1 。 从文献中来看，光电化学方法研究生物微粒主要集中于可发生光合作用的 色素物质，而对构成生物体的基本结构和功能单位一细胞的光电行为研究很少。 北京大学池云祥等人首次研究了哺乳动物肿瘤细胞h e l a 的光电流 8 】。他们利 用细胞培养技术将h e l a 长在透明导电玻璃i t o 上，在2 0 0 8 0 0 n m 白光照射下 观察到细胞产生n a 阴极光电流。他们同时研究了h e l a 细胞的光电流随时间， 溶液p h 值以及光强度变化的关系。通过与正常细胞p m e f 光电流的比较，作 者还发现一个有趣的现象，肿瘤细胞h e l a 的光电流比后者大。对于植物细胞 的光电化学研究我们未见文献报道。由于细胞是一个相对比较复杂的体系，如 何在保持细胞生理活性的情况下检测其光电行为比较难于操作。 研究生物物质( 例如：叶绿体，d n a ，细胞色素c ，蛋白质e t c ) 的电化 学行为( 包括光电行为) ，其中一个很重要的步骤是如何将生物微粒固定在基底 ( 金属电极，i t o ，e t c ) 的表面，构成研究电极。l a n g u m u i r b l o d g e t t 膜，自组 装膜( s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s ，s a m s ) ，静电组装膜( e l e c t r o s t a t i c a s s e m b l y ) 技术都是常用技术。 l a n g u m u i r b l o d g e t t 膜 2 6 ，2 7 ，2 8 技术是将双亲性分子( 如脂肪酸，磷脂等) 溶于挥发性的有机溶剂中，然后铺展在水面上，当溶剂挥发后，溶质分子以二 维气体的状态平躺在水面上，分子占据的面积大，表面压较低。通过装置压缩 该气态分子以增大表面压，则发生从二维气体到液体的相变过程，溶质分子开 始站起来，其憎水端开始离开亚相。进一步压缩，二维液体将转变为二维固体 ( 液体凝聚态) ，此时溶质分子紧密堆积，分子的轴几乎垂直于水面，憎水端( 尾 基) 朝上，亲水端朝下( 头基) ，形成二维有序的单分子层，也就是l b 膜。 自组装膜 2 9 ，3 0 ，3 1 ( s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s ，s a m s ) 技术也经常用来固 定生物微粒。所谓白组装膜就是一种( 或一种以上) 活泼的表面活性物质的分 子自发化学吸附到基底( 如金属，金属氧化物，半导体等) 表面所形成的二维 有序分子组合体系。自组装的过程是一个形成难溶产物的表面反应过程，其主 要特征是反应物自发化学吸附组成反应产物二维有序分布。最常见的是硫醇类 复旦夫学硕士学位论文 的自组装3 2 ，3 3 1 。 静电组装膜( e l e c t r o s t a t i c a s s e m b l y ) 技术和自组装膜技术的化学吸附不同， 它利用了带相反电荷的聚合物和组装微粒之间的相互吸引作用。首先将带有一 定电荷的聚电解质吸附到电极表面，然后让携带相反电荷的粒子以“正- 负”相 接的方式轮流自发地从溶液中吸附到荷电表面来组装多层分子膜。分子之间的 短程范德华力使分子的排列致密有序。除了聚电解质固定技术外，静电组装膜 技术还可用来固定蛋白质，d n a ，半导体纳米微粒等 3 4 3 8 1 。 本文首次利用静电组装技术，成功地将膜表面带负电荷的大麦原生值体固 定在预先吸附了一层带正电荷的氯化聚二烯丙基甲基铵( p o l y ( d i a l l a l d i m e t h y l a m m o n i u mc h l o r i d e ) ，p d a d m a c ) 金电极上。e q c m ，循环伏安实验以及荧光 实验均证明了大麦原生质体的成功固定。在此基础上，首次研究了大麦原生质 体的光电化学性质，观测到n a 级的光电流。静电组装原生质体提供了一个方 便快捷的固定细胞的方法以研究细胞电化学行为。 染料敏化电池很早就被人们发现。6 0 一7 0 年代m e i e r ，t r i b u t c h 等人把光电转 换应用到太阳能电池上【3 9 】。但是早期的光电转换研究都是在平滑电极上进行 的，这就存在一个本质问题。染料分子层中只有最靠近半导体的单层才能有效 进行电荷转移，而平滑电极上的染料单层面积小，吸收的太阳光量很低，光电 转换效率不高。如果多分子层染料吸附，电荷转移效率低，致使总效率也不高。 1 9 9 1 年g r a e t z e l 小组用t i o ，纳米晶多孔膜作电极应用于光电化学太阳能电池 上，并取得了突破性进展，从而发展了一种低价、高效的染料敏化电池，成为 当前新型光电材料研究中的一个新方向f 4 0 1 。 本文研究了大麦叶绿素敏化纳米晶t i o ，的光电行为。比较了纳米t i o ，电极 和叶绿素f t i o ：电极的循环伏安曲线。发现叶绿素敏化t i o ，电极以后，电极与原 来电极相比较光电流整体都会大幅度增加。叶绿素和t i o ，的紫外可见吸收光谱 显示叶绿素在可见光范围的吸收正好补充了t i o ，在可见光部分吸收的不足。可 以认为由于t i o ：禁带较宽，而叶绿素在较大波长范围内都有吸收，其光合作用产 生的高能电子注入到t i o ：的导带上，从而增强了t i o ，的光电转换性能。 我们还研究了大麦原生质体的电生孔现象。荧光照片图间接证明细胞的电 生孔。利用细胞电生孔将纳米t i o ：，染料罗丹明引入到原生质体内部，采用紫 外可见吸收光谱技术对此过程进行了研究。实验结果表明在紫外灯光光照射下 原生质体内部的t i 0 2 产生强氧化性将原生质体内部叶绿素分解。 复旦大学硕士学位论文 第一章大麦原生质体在金电极表面的固定及其光电化学研究 引言 一用于静电组装的聚电解质 静电组装技术利用了荷相反电荷的微粒间的静电作用。一般组装在基底上 的第一层采用聚电解质。荷电基团之所以能够吸附到基底或荷电基团基底上 面，靠的是相反电荷之间的吸引。从原理上来讲，所有的聚电解质都可用于静 电组装。不过，双亲分子的柔性链部分不能过短或过长，方可使双亲分子尽可 能“站立”吸附，而不是“平躺”或“成团”吸附。因此常用的聚电解质包 括聚苯乙烯磺酸钠( p o l y s t y r e n e s u l f o n a t es o d i u m ，p s s ) ，聚乙烯磺酸钾 ( p o l y v i n y l s u l f a t ep o t a s s i u m ，p v s ) ，聚一2 一丙烯酸酰胺基一2 一甲基一1 一丙基磺酸 ( p o l y ( 2 一a c r y l a m i d o - 2 一m e t h y l 一1 一p r o p a n e s u l f o n i ca c i d ) ，p a m p 。) ，聚烯丙基盐酸胺 ( p o l y a l l y l a m i n eh y d r o c h l o r i d e ，眦l ) ，质子化的聚乙烯吡啶 ( p o l y ( v i n y l p y t i d i n e ) ，p e i + ) ，氯化聚二烯丙基甲基铵( p 0 1 v ( d i a l l a l d i m e t h v l a m m o n i u mc h l o r i d e ) ，p d a d m a c + ) 等。本实验中选用了氯化聚二烯丙基甲基铵 ( p 0 1 y ( d i a l l a l d i m e t h y la m m o n i u mc h l o r i d e ) ，p d a d m a c ) 作为固定大麦原生质体 的聚电解质，它靠近溶液端带上正电荷，而细胞膜表面具有一定的负电荷5 8 1 ， 因此可以利用相反电荷的静电吸引将大麦原生质体固定在电极表面。 p d a d m a c 一 f i g1 1t h es c h e m eo f e l e c t r o - s t a t i ca s s e m b l y 图1 1 静电组装示意图 静电组装技术已经应用于组装聚电解质分子多层膜，聚电解质一g i - t - 4 1 1 ，聚电 解质一生物大分子( 如蛋白质，细胞色素c ) 4 2 4 5 ，聚电解质金属溶胶 4 6 】， 聚电解质一半导体溶胶【4 7 5 0 】等。本文用来组装植物细胞，是一个新的尝试。 复呈夫学颟士学位论文 二e q c m 实验在本文中应用简介 e q c m ( e l e c t r o c h e m i c a lq u a r t zc r y s t a lm i c r o b a l a n c e ) ，电化学石英天平，是 一种十分灵敏的质量传感器，能够检测到( 亚) 纳克级质量的变化，用来研究 电极表面的吸附行为非常有效。当有微量物质吸附到电极寝面后，将引超石芡 晶体振动频率的变化。该频率的变化和电极表面质量的变化之间遵从s a u e r b r e y 方程【5 1 ，5 2 】： 心一_ 7 益。；舾 ( 1 1 ) a 沁2 p o ￥1 其中，a f 为实验所测到的石英晶体频率的变化，f ，为石英晶体的基频( 本文中 民一8 0 1 0 6h z ) ，a 为镀在石英晶体袭面的金电极的面积( 本文中a = 1 9 6 1 0 。m 2 ) ，为石英晶体的密度( 其值为2 6 4 8 1 0 6g m 3 ) ，p q 为石英晶体的剪 切模量( 其值为2 9 4 7 ) e c 时可多处生孔，如图3 1 b 所示。在任何情况下，细胞在合适的电场脉冲作用之 后，小的亲水性分子仍能穿越脂膜而到达细胞内部，这基本上是通过在细胞膜 的电渗透领域的简单扩散实现的。而荷电分子的电渗透是通过电泳传输的，它 们只能在电脉冲发生时进行，相反通过扩散过程的分子传输可以一直进行。因 此分子电渗透过程持续时间可以比脉冲周期长几个数量级8 1 1 。 电场脉冲提供了足够的能量来诱导了细胞膜的部分结构变形，产生, i , t l ， 导致细胞电渗透；而脉冲的持续使得电生孔的时间增长f 8 2 1 。虽然在多篇文献 中均提到细胞电渗透是由于细胞膜在电场脉冲作用下产生电生孔，造成细胞接 构不稳定的生成，从而使非渗透性的分子进入到细胞内部。但由于细胞膜产生 复默鞭愀论文 e ：己 b _ 11 2 “ 1 氐卢 ，t ，：q t 喇： j 冷b 多人。 j懒。 e 电场强度 e c 临羿电场强度 v旗电压 v c摸击穿电压 a纪脆些径 f i g31t h es c h e m eo ft h er e l a t i o nb e t w e e ne l e c t r i cf i e l da n de l e c t r o p e r m e a b i l i a t i o no fc e i l s 图3 1 细胞在电场中发生电生孔电场和膜电压关系示意图 电生孔的时间非常短，并且由于生物膜本身的特殊性，限制了我们应用更多 的物理化学方法来检测细胞膜的变化，人们较难直接给出证明细胞膜电生孔 的发生。 已经知道纳米t i o ：粉末具有半导体性质，在紫外光照下可分解有机物并 具有杀菌作用 8 3 。而本课题组已经在荧光法研究电生孔方面做了许多工作。 将这两方面结合起来，探索电生孔注入纳米t i o ，并研究在紫外光光照下对癌 细胞的作用将是一项非常有意义的工作。 本文利用荧光葡聚糖在激光激发下发出荧光的性质，探索细胞在电场脉冲 的作用下产生电生孔的现象。并利用细胞在电脉冲的作用下产生电生孔的性质， 分别将纳米t i o 。，罗丹明染料引入到细胞内部。使用紫外一可见光谱对电生t l g 入物质进行了研究。并进一步研究了光照下利用电生孔技术注入纳米t i o 。的催 化分解作用。 一ryyh，r匕 _矿yrv矿一 复旦大学硕士学位论文 逐渐分解。叶绿素本身在紫外灯光照下不会分解。而t i o ：在紫外灯光照下有很 强的催化氧化作用。因此可以推断，经过电脉冲的作用，大麦原生质体膜产生 的电生孔能够使得t i o ：穿透膜进入到原生质体内。经过紫外灯光照射，原生质 体内的t i o ，逐渐分解叶绿素，而使4 0 5 n m 和4 3 5 n m 处的峰值不断减小。 进一步研究在光照下研究纳米t i o ，在细胞内对有机物的光分解动力学以及 如何控制一定的脉冲的波形以调节加入的t i o ，的量的实验还在进行之中。我们 期望利用电生孔技术将纳米t i o ，添加到癌细胞中，在光照下研究纳米t i o ：对癌 细胞生长的影响。以期抑制和杀死癌细胞。必要时也可试验用电生孔方法把纳 米t i o ，和某种药物同时添加进癌，光照下研究其联合效应。并用光谱方法和共 聚焦显微镜等方法观察其光照效应。 小结： 本章对大麦原生质体电生孔和电渗透现象进行了研究。同时利用细胞的电 渗透，成功地将纳米t i o ，和有机染料罗丹明引入到原生质体内部。 首先，采用荧光法证明了电脉冲作用下大麦原生质体产生了电生孔现象。 通过大麦原生质体经过脉冲作用和未经过脉冲作用的荧光照片对比，观察到荧 光葡聚糖进入到原生质体内部。同时将内部已经充满荧光葡聚糖的大麦原生质 体再次经过脉冲作用，发现荧光强度减弱，推知部分荧光物质通过电生孔流出 细胞。因此荧光法间接证明了细胞电生孔。 对纳米t i o ，有机染料罗丹明以及经过电脉冲作用的大麦原生质体溶液的 紫外可见光谱图比较，发现脉冲作用过的大麦原生质体溶液紫外可见光谱图比 未经过脉冲作用过的大麦原生质体溶液紫外可见光谱图多了一个5 5 5 5 n m 处的 峰，而该峰与罗丹明的峰一致。说明罗丹明染料已经被脉冲引入到原生质体内 部。在不同光照时间下，由于脉冲作用引入到大麦原生质体内部的t i o ，量很少， 该峰的变化不是很明显。我们通过比较发现，随着光照时间的增大，4 0 5n m 和 4 3 5 n m 处的峰值在不断减小，这是叶绿素的特征峰，而叶绿素在紫外光照射下 的可见光谱图表明其很稳定。可推知是纳米t i o ，在紫外光照下的强氧化性使得 叶绿素分解造成的。实验结果不但证明了纳米t i o ，和有机染料罗丹明能够脉冲 注入到大麦原生质体内部，同时还显示在紫外灯光照下，大麦原生质体内部的 纳米t i o ，产生强氧化性分解叶绿素。 壁竺兰竺兰 参考文献 1葛培根，光合作用，安徽教育出版社，1 9 9 1 2 ls t r y e r ，b i o c h e m i s t r y ，第2 2 章一光合作用，w hf r e e m a na n dc o ，1 9 8 8 3n s n a s e la p l a n n e r ，d f r a c k o w i a k ，j p h