（分析化学专业论文）基于金胶的紫细菌光合反应中心蛋白的光电化学研究.pdf

复旦大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 光合作用对光能转化为化学能的快速、高效以及潜在的应用前景使人们期望 对其各种能量传递及电子转移机理获得更深层的认识。以利用太阳能为背景的光 电化学转换，尤其是基于光合作用的太阳能仿生转换利用成为一个非常活跃的科 学研究前沿。紫细菌光合反应中心( r c ) 由于结构简单、功能完备，已经成为 人们研究光合作用机理的切入点。从2 0 世纪9 0 年代初起，纳米技术得到迅速发 展，而大量的生物结构，从核酸、蛋白质、病毒到细胞器，其线度在l 1 0 0 n m 之间，纳米和生物的有机结合必然将碰撞出新的火花。金胶是最常见的金属纳米 颗粒，金胶和生物分子之间良好的兼容性为它在材料科学和生物领域的广泛应用 提供了基础。它能提供一种类似于氧化还原蛋白质自身所处的环境，使吸附在其 表面的蛋白质保持它们的生物活性的同时，也能使金胶保持稳定。金胶粒子和生 物分子的组合是可以为电子学和光学创造出新的材料，并在基因组学，蛋白质组 学，生物医学，生物诊断学，生物分析有了广泛应用。同时，金胶对光生电子 具有很好的储存、传递和穿梭的能力，这对于光敏蛋白的研究是非常有利的。 本文围绕控制蛋白在金胶表面的有利方位，促进蛋白向金胶基底的光致电子 注入，以及揭示蛋白复杂、快速和有效的能量电子传递过程等方面，并构建高 效、新型的功能化r c 纳米仿生膜开展了一系列创新性工作，具体包括以下三部 分内容： 一、绪论 围绕论文的主题，本章节首先明确了课题研究的重要意义。之后，概括地阐 述了有关r c 结构和功能的背景信息。作为本章的核心内容，对r c 光致电子 能量传递，基于r c 的仿生膜构建以及r c 研究方法和技术作了重点介绍，对相 应的文献也进行了较全面的综述。最后简要归纳了论文的主要创新性。 二、金胶表面定向组装r c 实现向基底超快的光致电子注入 在本章中，我们首先合成了粒径均匀的纳米金胶粒子，并通过在其表面衍生 化不同的双功能试剂实现了光敏蛋白r c 在金胶基底上的方位控制，构建金胶一 蛋白自组装仿生体系。紫外一可见吸收光谱、透射电子显微镜监测了金胶的制备 和衍生化过程中光学吸收和颗粒大小的相应变化，x 射线光电子能谱、傅立叶红 外光谱的表征结果证实了双功能试剂在金胶上的成功组装。近红外一可见吸收光 复旦大学硕士学位论文 中文摘要 谱和圆二色谱的表征结果显示了r c 在功能化金胶表面有效组装和活性保持。金 胶一蛋白自组装体系的荧光和飞秒泵浦一探测实验结果揭示了修饰在不同双功 能试剂衍生化的金胶表面的r c 激发能弛豫方式有明显差异，但都存在向金胶粒 子明显的电子注入现象，这为构建基于r c 和纳米金胶的仿生膜光电器件奠定了 理论基础。 三、基于金胶和r c 的仿生膜光电极的构建 在这一章节中，我们首先用巯基硅烷m p t m s 衍生i t o 电极，在电极表面 覆盖一层- - s h 基团，然后用自组装法吸附金胶形成纳米金胶微电极阵列。用两 种不同的双功能试剂把r c 固定在基底电极上以控制r c 在电极表面的方位和取 向，比较仿生膜光电极之间的光电响应差异，并结合第二章的实验结果加以解释。 为了改善仿生膜光电极的性能，对基底电极进一步衍生化。用a u a + n h 2 0 h 原位 还原的方法在小颗粒金胶表面沉积金，增大金胶的颗粒，增加电极表面的活性面 积。用原子力显微镜、紫外一可见吸收光谱和循环伏安法对衍生化电极的形貌和 氧化还原活性等进行表征。以衍生化电极为基底电极的仿生膜光电极的光电转换 效率有昵显改进，这是由于金胶在i t o 电极表面覆盖度增大后用于吸附生物分 子的活性位点增多，同时大粒径的金胶相比于小粒径的金胶对于光生电子具有更 好的储存和穿梭的能力，这为设计组装基于金胶的生物光电器件提供了一个有效 途径。 关键词：紫细菌光合反应中心，金胶，仿生膜光电器件，电子传递， 能量转 移，金胶微电极阵列，光电转换 复旦大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t n 圮a p p l i c a t i o no fp h o t o s y n t h e s i st oq m c k l ya n de f f e c t i v e l yc o n v e r t i n gs o l a r e n e r g yt oc h e m i c a le n e r g yl e a d st ot h ed e e pu n d e r s t a n d i n go f v a r i o u se n e r g y e l e c t r o n t r a n s f e rm e c h a n i s m p h o t o e l e c t r i c e n e r g yc o n v e r s i o n ，e s p e c i a l l yb i o m i m i c p h o t o e l e c t r i ce n e r g yc o n v e r s i o n , h a sb e c o m e 孤a c t i v er e s e a r c ha r e ai nr e c e n ty e a r s p u r p l eb a c t e r i ap h o t o s y n t h e t i cr e a c t i o nc e n t e r ( r c ) ，e n j o y i n gt h ea d v a n t a g eo fs i m p l e s t r u c t u r ea n dr o b u s tf u n c t i o n a l i t y , i st h ec u t t i n ge d g eo f t h er e s e a r c ho f p h o t o s y n t h e t i c m e c h a n i s m f r o mt h e 1 9 9 0 s ，n a n o t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l y m a n y b i o l o g i c a ls t r u c t u r e ，r a n g i n gf r o mn u c l e i ca c i d ，p r o t e i n , v i r u st oo r g a n e l l e ，i sa b o u t l 1 0 0 姗i ns i z er a n g e 1 1 壕c o m b i n a t i o no fn a n o t e c h n o l o g ya n db i o l o g yw o u l d i n e v i t a b l yb r i n gn e wr e s e a r c hi n t e r e s t s a uc o l l o i d si st h em o s tc o m m o n l ys e e n m e t a l l i c n a n o p a r t i c l e s , a n d t h e b i o c o m p a t i b i l i t yb e t w e e na uc o l l o i d sa n d b i o m o l e c u l e sm a k e st h e mn a t u r a lc o m p a n i o n si n t oh y b r i ds y s t e m s ，l e a d i n gt ot h e b r o a da p p l i c a t i o ni nm a t e r i a ls c i e n c ea n db i o l o g i c a la r e a a uc o l l o i d sc o u l dp r o v i d ea n a r l 亩e n v i r o n m e n t , e n s u r i n gt h es t a b i l i t yo fb o t ht h ea s s e m b l e dp r o t e i na n dt h e n a n o p a r t i c l e s t h ec o m b i n a t i o no fn a n o p a r t i c l e sa n db i o l o g i c a lm o l e c u l e sc o u l d c r e a t en e wm a t e r i a l sf o re l e c t r o n i c sa n do p t i c sa n dl e a dt on e wa p p l i c a t i o n si n g e n o m i c s ，p r o t e o m i c s ，a n db i o m e d i c a l a n db i o a n a l y t i c a la r e a s m e a n w h i l e ，t h e e x c e l l e n tp r o p e r t i e so fa uc o l l o i d si nr e s e r v i n g ，t r a n s f e r r i n ga n ds h u t t l i n ge l e c t r o n s a r eb e n e f i c i a lf o re x p l o i t i n gt h ef a c u l t yo f t h ep h o t o s e n s i t i v ep r o t e i n i nt h i sw o r k , as e r i e so fo r i g i n a lw o r kh a sb e e nd o n ee s p e c i a l l yo ni n c r e a s i n gt h e p r o t e i nl o a d i n g ，p r o m o t i n gt h ep h o t o i n d u c e de l e c t r o ni n j e c t i o n , m a n i p u l a t i n gt h e f a v o r a b l e p r o t e i no r i e n t a t i o n , r e v e a l i n g t h e c o m p l e x ，n i t r a f a s t , a n de f f e c t i v e p h o t o i n d t m e de n e r g y e l e c t r o n t r a n s f e r p r o c e s s ，a n df a b r i c a t i n g t h e s t a b l e ， h i 曲e f f i c i e n tn o v e lr c f o n c t i o n a l i z e dn a n o f i l m s ，w h i c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e e p a r t s ： 1 ) i n t r o d u c t i o n i nt h i sc h a p t e r , t h es i g n i f i c a n c eo f t h et o p i cw a sd i s c u s s e df i r s t l y t h e n , t h er e s e a r c h b a c k g r o u n do f t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f r cw a si n 打o d u c c da n di l l u s t r a t e d a st h e c o r e e l e m e n t , s t r a t e g i e s f o rc o n s t r u c t i o na n df a b r i c a t i o no fw e l l - d e f m e d r c - f u n c t i o n a l i z c dn a n o c o m p o s i t ef i l m sf o rp r o b i n ga n de x p l o i t i n gt h ep h o t o i n d u c e d e l e c t r o nt r a n s f e ro fi 配w e r ec l a s s i f i e da n ds u m m a r i z e d a n dt h er e l a t e dl i t e r a t u r e s 复旦大学硕士学位论文英文摘要 w e r ew e l l - r e v i e w e d f i n a l l y , t h em a i nn o v e l t ya n di n n o v a t i o no ft h es t u d yw e r e p r o v i d e d 2 、m a n i p u l a t i n gt h ef a v o r a b l er co r i e n t a t i o no nf u n c t i o n a l i z e da nc o l l o i d st o r e a l i z et h eu l t r a f a s te l e c t r o ni n j e c t i o nt ot h es u b s t r a t c i nt h i sc h a p t e r , w ef i r s t l yp r e p a r e da uc o l l o i d so fm o d e r a t es i z e t h e n , f a v o r a b l e p r o t e i no r i e n t a t i o nc o n t r o lw a sa c h i e v e db ye m p l o y i n gt h ed i f f e r e n tb i f u n c t i o n a l r e g e n t so nt h es u r f a c eo fg o l dn a n o p a r t i c l e s ，l e a d i n gt ot h ep r o t e i n - a uc o l l o i d sh y b r i d s y s t e m s t h eu l t r a v i o l e t ( u v ) - v i sa b s o r p t i o na n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) m e a s u r e m e n t sm o n i t o r e dt h eo p t i c a la b s o r p t i o na n ds i z ec h a n g e si nt h e p r e p a r a t i o na n dd e r i v a t i o np r o c e s s x - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x v s ) a n d f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d s p e c t r o s c o p y ( f t i r ) d e m o n s t r a t e d t h es u c c e s s f u l a s s e m b l i n go ft h eb i f u n c t i o n a lr e a g e n t so nt h ea uc o l l o i d s ，t h en i ra b s o r p t i o na n d c ds p e c t r as h o w e dt h a tb o t ht h en a t i v es t r u c t u r ea n df u n c t i o no f r ca s s e m b l e do nt h e d e r i v a t i v ea uc o l l o i d sr e m a i n e du n a l t e r e d n 壕f l u o r e s c e n c ee m i s s i o na n df s p u m p - p r o b es p e c t r ar e s u l t sr e v e a l e dt h es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n te x c i t a t i o nr e l a x a t i o n p a t h w a ya n dd y n a m i c so fd i f f e r e n tr c a uc o l l o i ds y s t e m s w h i l eb o me x i s t e dt h e d i s t i n c tp h o t o i n d u c e de l e c t r o ni n j e c t i o nf r o mt h ep h o t o - e x c i t e dp r o t e i n st ot h ea u c o l l o i d s ，w h i c hi st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ff a b r i c a t i n gr c - a uc o l l o i d sc o n t a i n e d b i o m i m i cp h o t o e l e c t r i cd e v i c e s 3 ) f a b r i c a t i o no fr c - a uc o l l o i d sc o n t a i n e db i o - p h o t o e l e c t r o d e ( b i o - p e ) i nt h i sc h a p t e r , m p t m sw a se m p l o y e dt od e d v a t et h ei t os u b s t r a t e t h e n ，a u c o l l o i d sw a ss e l f - a s s e m b l e do nt h e s u r f a c e ，l e a d i n g t ot h ec o n s t r u c t i o no f m i c r o e l e t r o d ea r r a y i m m o b i l i z et h er co nt h ee l e c t r o d eb yu s i n gt w od i f f e r e n t b i f u n c t i o n a lr e a g e n t s ，a n dc o m p a r et h ed i f f e r e n c eo ft h ep h o t o e l e c t r i cr e s p o n s e b e t w e e nt h eb i o p e s a n dt h e ne x p l a i nt h er e s u l t si nc o m b i n a t i o nw i t ht h em e c h a n i s m p r o p o s e di nt h es e c o n dc h a p t e r t of l l r t h e rp r o m o t i n gt h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo ft h eb i o - p e s ，w ed e r i v a t e dt h ea uc o l l o i d sm o n o l a y e rc o v e r e ds u b s t r a t e e l e c t r o d eb y s e e d i n g ”p r o c e s s a uw a sd e p o s i t e do nt h eo r i g i n a ls m a l lg o l d n a n o p a r t i c l e sb ya u + n h 2 0 hs o l u t i o n , r e s u l t i n gi nl a r g e rs i z eo ft h en a n o p a r t i c l e s t h ee n l a r g e da uc o l l o i d sh a di n c r e a s e ds u r f a c ea r e af o rb i o m o l e c u l ei m m o b i l i z a t i o n a f m 、u v - v i sa b s o r p t i o na n dc y c l i cv o l t a m m e t r ym e a s u r e m e n tw e r ea p p l i e dt o c h a r a c t e r i z et h es u r f a c ei m a g ea n dt h er e d o xp r o p e r t yo ft h ee l e c t r o d es u r f a c e t h e n 复旦大学硕士学位论文 英文摘要 p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f 矗c i e n c yo ft h eb i o - p e sb a s i n go nt h ed e r i v a t e ds u b s t r a t e e l e c t r o d ew a si m p r o v e d ，o w i n gt ot h ei n c r e a s e ds u r f a c ec o v e r a g eo ft h ea uc o l l o i d s o nt h ei t o ，w h i c hp r o v i d e dm o r ea c t i v ea r e af o rt h ei m m o b i l i z a t i o no ft h ep r o t e i n t h es u p e r i o rp r o p e g i e so ft h el a r g e rs i z e dn a n o p a r t i c l e si nr e s e r v i n ga n ds h u t t l i n g p h o t o g e n e r a t e de l e c t r o n sa l s oc o n t r i b u t e dt ot h ei m p r o v e de f f i c i e n c y , w h i c hi n i t i a t e d an e ww a yf o rt h ef a b r i c a t i o no f a uc o l l o i d s c o n t a i n e dp h o t o e l e c t r i cd e v i c e k e yw o r d s ：p u r p l e b a c t e r i a p h o t o s y n t h e t i c r e a c t i o nc e n t e r ，a uc o l l o i d s ， b i o - p h o t o e l e c t r o d e ( b i o - p e s ) ， e l e c t r o nt r a n s f e r , e n e r g yt r a n s f e r , a uc o l l o i d sm i c r o e l e c t r o d ea r r a y ，p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n i h 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名 论文使用授权声明 日期：2 1 丑：! ：竺 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名导师签名纱f 彬 日期：塑z ：占 复旦大学硕士学位论文 第一章 第一章绪论 1 1 前言 光合作用是目前所发现的最高效的光能转换过程，是地球上最重要的化学反 应之一。绿色植物通过光合作用将水和二氧化碳转变为有机化合物并放出氧气， 从而构成了地球上生命繁荣的基础。进入二十世纪以来，人类工业文明迅猛发展， 由此引发的能源危机和环境污染成为急待解决的严重问题，利用和转换太阳能是 解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。世界上第一个认识到通 过光电化学转换可以将太阳能转变为电能的是b e c q u e r e ，他在1 8 3 9 年发现涂布 了卤化银颗粒的金属电极在电解液中产生了光电流【l 】。1 9 7 2 年h o n d a 和 f u j i s h i m a 应用n - t i 0 2 电极成功的进行太阳能光分解水制氢，使人们认识到光电 化学转换太阳能为电能和化学能的应用前景，开辟了光电化学研究的毅领域【2 】。 从此，以利用太阳能为背景的光电化学转换，尤其是基于光合作用的太阳能仿生 转换利用成为一个非常活跃的科学研究前沿。 光合作用是一个复杂的反应，它包括一系列连续的物理、化学反应。整个光 合作用反应可以分为：原初反应( 包括光能的吸收、传递和电荷分离) 、电子传 递和氧释放、光合磷酸化和二氧化碳同化等阶段，其中原初反应则是实现光能转 换为化学能的重要环节。原初反应指光合作用中最初的反应，从光合色素分子受 光激发起到引起第一个光化学反应为止的过程，它包括光能的吸收、传递与光化 学反应，原初反应的结果是使反应中心发生电荷分离。 能进行光合作用的生物主要有两类：绿色植物和光合细菌 3 】。绿色植物含 有两个光合系统( p s i 和p s i i ) ，光合细菌的结构较为简单只含有一个光合系统。 光合作用对光能转化为化学能的快速、高效以及潜在的应用前景使人们期望对其 各种能量传递及电子转移机理获得更深层的认识。紫细菌光合反应中心( r c ) 由于结构简单、功能完备，已经成为人们研究光合作用机理的切入点。特别是 1 9 8 5 年d e i s e n h o f e r 等最早发表了紫细菌砸h r i d i s 光合反应中心的晶体结构 4 】， 随后紫细菌r b s p h a e r o i d e s 光化学反应中心的晶体结构也被确定【5 】，人们对光合 反应中心的研究进入了原子一分子水平，原初反应中的超快能量传递和电荷转移 过程更是近年来人们广泛研究的热点。尤其是目前跨学科特别是跨生命科学研究 的新趋势，为这个领域不断带来新的研究技术，以它为基础的太阳能电池的研究 也越来越显示出诱人的前景。 复旦大学硕士学位论文第一章 1 2 紫细菌( 矗hs p h a e r o i d e s ) 光合作用体系 s c h e m ei - ls c h e m a t i cr e p s e n t a t i o no ft h ep h o t o s y n t h e t i ca p p a r a t u si nt h ei n t r a c y t o p l a s m i c m e m b r a n eo f p u r p l eb a z t e r i a 7 s 紫细菌光合作用功能体中的主要色素为细菌叶绿素( b a c t e r i o c h l o r o p h y l l ，简 称b c h l ) 和胡萝b 素( c a r o t e n o i d ) 。这些色素被非共价键地镶嵌在膜蛋白上，从而 形成了捕光天线复合体( 包括外周天线l h 2 和核天线l h l ) 和反应中心( r c ) 【6 】。 紫细菌的原初光化学反应如s e 聪1 - 1 所示。l h i i 吸收太阳光能，然后传递给l h i ， 再集中传递给反应中心内的原初电子供体口8 7 0 ) 【7 ，8 】。反应中心是位于类囊体膜 上的跨膜色素一蛋白复合物，它有效地从天线蛋白接受能量并触发从p 开始光致 电荷分离，然后在反应中心内产生一系列的电荷分离和电子传递过程，形成电荷 分离态p + q 。【9 1 1 】。水溶性的细胞色素c 2 把一个电子传递给r c 使激发态的p 返回基 态，同时还原态的醌又被细胞色素b c i 氧化，从而完成电子传递过程。在反应中 心内，醌类物质参与了由原初光化学反应推动的电子传递过程，而且在醌还原过 程中还耦联质子传递，导致在光合膜内外两侧形成质子浓度差，质子在穿膜过程 中推动膜上的a t p 酶合成a t p 1 2 1 5 1 。 1 3 紫细菌( 置乱却肠脚础协) 光合作反应中心的结构及其功能 1 3 i 光合反应中心r c ( 足& 固屯唧撕击眄) 的晶体结构 反应中心是光合作用原初反应中最为重要的功能体，是发生原初反应的最小 单位。它是一个色素蛋白复合体，由反应中心色素分子、原初电子受体、次级电 2 复旦大学硕士学位论文 第一章 子受体与次级电子供体等电子传递体，以及维持这些电子传递体的微环境所必需 的蛋白质等组分组成，其主要功能是在吸收光能后通过一系列能量传递、电荷分 离及电子传递过程最终将光能转化成化学能。 紫细菌的反应中心主要包含l 、m 和h 三个蛋白亚基，三个亚基分别为l 、 m 、h ，其分子量分别为2 8 k 、3 2 k 和3 4 k 道尔顿a ) 【4 】。图1 - 3 ( a ) 显示了紫细 菌三个亚基的三维结构。其l 和m 亚基属于穿膜蛋白，两者的氨基酸顺序具有 同源性，均含有五个跨膜a 螺旋结构，两个亚基在反应中心呈二维对称排列。 细胞基质还结合有细胞色素c ，它在靠近原初电子供体( 细菌叶绿素双分子) 的 一侧，h 亚基在靠近醌和铁原子的另一侧。l 、m 和h 亚基的二级结构中都含有 多个疏水区域，构成了它们的跨膜螺旋结构。整个复合物分子量约为1 5 0 k d a ， 三维尺寸约为3 0 x 7 0 x 1 3 0 a 3 1 6 - 1 8 1 。 i g i 私r e1 - 3 ( a ) ，3 - ds t n l g t u r eo fr cf r o mr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ( 胁毋t h el ，ma n dh s u b u n i t sa r es h o w n 硝y e l l o w , g r e e na n db l u er i b b o n s ，r e s p e c t i v e l y ( b ) ，s c h e m a t i co ft h e g o f a c t 0 6a r r a n g e m e n ti nr c 3 镶嵌于紫细菌反应中心三个亚基中的八个辅助因子包括一个细菌叶绿素二 聚体p 8 7 0 ，两个辅助细菌叶绿素分子b s 0 0 ，两个细菌脱镁叶绿素分子( b p h e ) ， 两个泛醌( 初级泛醌q a ，次级泛醌q b ) 和个非血红素铁离子。它们在反应中 心中沿亚基的中轴线呈二维对称排列 t 6 - 1 8 】。 如图l _ 3 ( b ) 所示，两个细菌叶绿素单体( b c h l l 和b c h l m ) 紧挨着原初电子 供体p 8 7 0 ，位于p 与细菌脱镁叶绿素b p h e 之间。在l 亚基侧，b c h t l 与p 和 b p h e l 的距离分别是1 0 6n n l 和1 0 9n n l ；在m 亚基侧，相应的距离分别是1 0 2 3 复旦大学硕士学位论文第一章 i l m 和1 1 1n n l a 初级泛醌q a 位于反应中心的细胞质侧，靠近b p h e l 。q a 位于 l 分支，但被m 亚基上的疏水性氨基酸残基所包围。次级泛醌q b 位于m 分支， q b 附近的质子化氨基酸残基( a s p l 2 1 3 ) 涉及光化学还原后q b 的质子化过程【1 3 】。 非血红素铁离子位于细胞膜靠细胞质一侧，在反应中心中处于对称轴位置，它和 l 、m 亚基上的氨基酸残基间的相互作用对于稳定反应中心的结构具有重要作用 【1 9 】。 1 3 2r c ( 胄抚s p h a e r o i d e s ) 内的电子传递和能量传递过程 1 3 2 1r c ( 矗6 s p h a e r o i d e s ) 内的电子传递过程 紫细菌光合反应中心内电子传递开始于激发态的二聚体p 8 7 0 ，p 的激发可 以通过b 和h 的单线态激发及能量传递来实现 2 0 】，也可以通过直接激发的方法 来实现。虽然r c 的结构中分为a 、b 两个分支，但通常情况下只有a 支是具有 光化学活性的，电荷分离及传递过程主要沿a 侧进行。两个分支都包括一个单 体辅助细菌叶绿素( b c h l ) ，一个细菌脱镁叶绿素( b p h e ) 和一个醌分子( q ) 。电子经 过大约3 p s 从p 8 7 0 通过a 分支( 即沿l 亚基) 到达b p h e ，接着经过约2 0 0 p s 传递给初级泛醌q a ，再经过约1 0 1 0 0 t ls 到达次级泛醌q b 2 1 ，2 2 1 。紫细菌反 应中心内光激发的电子传递过程如图l - 4 所示。对紫细菌( r 扛s p h a e r o i d e s ) ，在 室温时，a 支电子传递的速率比b 支电子传递速率高5 倍【2 3 】；在低温8 0 k 时， a 支电子传递的速率比b 支电子传递速率高约2 5 倍【2 4 】。 b c h l bj 勖如 b p h e e p 2 0 0 p s f i g u r e1 - 4 s c h e m a t i co f t h ec o f a c t o r sa r r a n g e m e n ta n dt h ep h o t o - i n d u c e de tp r e s e n ti nr c 7 9 】 4 复旦大学硕士学位论文第一章 紫细菌光合反应中心蛋白内电子传递反应优先沿着a 分支( l 亚基) 方向， 这是源于在该反应中心蛋白结构中存在几处二重不对称结构【5 】。此外，光合反 应中心蛋白内向前的电荷分离步骤间的距离总是比竞争的反向电荷复合步骤的 距离更短 2 5 】。由于紫细菌反应中心内电子传递具有方向性，同时在时间上存在 从皮秒到秒级的多样性，并且紫细菌反应中心的晶体结构揭示了辅基的空间排列 及氨基酸残基的微环境，使得该系统已成为研究蛋白中电子传递分子机制的典型 系统。对于紫细菌反应中心原初光化学反应中电荷分离及电子传递的途径和机存 在仍存在有不同的观点。一步机制或超交换机制认 2 6 ，2 7 ，细菌叶绿素二聚体 ( p ) ，吸收光能后产生电荷分离，经过大约3p s ，电子从p 沿a 支路传递至h a ， 再经过约2 0 0p s 传递至q a ，b 分子没有参与这个电子传递过程。而两步机制认 为 2 s 3 0 】，细菌叶绿素二聚体( p ) ，吸收光能后产生电荷分离，经过大约3p s 电 子传递至b a ，然后经过0 9 p s 传递至h a ，再经过约2 0 0p s 传递至q a 。两种观点 却都认为p 为电荷分离的中心。然而最近，人们通过研究突变体中的超快电子传 递过程及相应的量子产额，提出了一种新的电荷分离及电子传递通道，这一新途 径起始于激发态的b 分子，即由p b a * h a - - p b a + i a - ，而不经由p 就可以实现电 荷分离 3 1 ，3 2 1 ，这一新观点是对传统的电荷分离和电子传递机制的新挑战，也已 经成为近来光合作用研究的新热点。另一个有趣的现象是电荷复合过程，通常来 讲，电荷分离后，电子很有可能会重新与处于氧化状态的p 二聚体复合。但人们 发现，将q b 去除后，发生于从q a 到p 的电子重组过程约要l o o m s ，比从p 到 q a ( 经由h a ) 的前向电子传递慢6 个量级。也可能正是由于这种动力学的控制 效应才使得光化学过程有极高的量子产额，但目前这一特点尚无法很好地得到解 释。 1 3 2 1r c ( 胄夙s p h a e r o i d e s ) 内的能量传递过程 f i g u r e1 - 5 e n e r g yl e v e lo f p i g m e n t sa n de n e r g yt r a n s f e rp a t h w a yi nr c 复旦大学硕士学位论文 第一章 在自然状态下，反应中心被捕光系统包围，捕光系统一般由复合于蛋白质的 叶绿素和胡萝b 素构成，该系统可以使细胞最大程度地改善每个反应中心的吸收 截面和最好地利用能量转换能力。捕光天线系统可以吸收很宽波长范围的光并将 激发能传递到反应中心的特殊对p ，每个反应中心的天线系统一般包括2 4 - 3 0 0 ( 有时候可能达l o o o ) 个色素分子，图1 5 是紫细菌反应中心中相关色素的能 级及能量传递示意图。反应中心的激发能通常经由一个下行的能量传递过程，分 子间的能量传递一般由传递的f o r s t e r 偶极一偶极共振机制来描述，能量传递的 速率与色素分子间的距离的六次方成反比，可以用来解释偶极矩在空间的取向， 以及测量受激发给体的发射光谱与激发受体吸收光谱间的重叠的诸因素。研究表 明，不管是先激发b c h l 或b p h e ，能量都将在1 0 0 2 0 0 f s 内传递给p 形成激发态 p 3 4 3 5 】。在以往的工作中，人们研究了从b 到p 和从h 到p 的快速能量传递 【3 6 3 8 1 。在天然r c 中，从单体h 到p 的能量传递相对于从b 到p 的传递要慢 些，因为从h 到p 的距离( 中心一中心) 为1 7 n m ，而从b 到p 间的距离为1 o n n l ，大的间距再加上h 的发射谱和p 吸收谱间的光谱重叠可以忽略，因而不太 可能产生从h 直接到p 的能量传递，一种可能的传递传递途径是，激发能首先从 h 到b ，然后再从b 到p ，这已经通过许多瞬态动力学实验所证实。 由于形成p 二聚体的两个b c h l 分子间的强耦合，通过量子力学的分析，两 个b c h l 单体的q y 跃迁通过激子耦合可以形成了上下两个激子能级p 什和p y - ， 二者的最大吸收跃迁分别发生于8 2 0 r i m 和8 7 0 n m 附近，并通过下激子能态的激 发而实现电荷分离。因此，有关能量从b * np 卅再到p y - 或直接由b * 至s jp y 的能 量传递仍然存在争议：一种观点认为位于b 的激发能可以在2 0 0 f s 左右的时间内 直接激发下激子态p v ，而另一种观点则倾向于先由b 到上激子态p ”( 时间约为 1 0 0 f s ) ，然后经过p y + 到p y 的内转换效应使后者激发( 时间常数小于l o o f s ) 。然 而，近来人们通过瞬态荧光光谱研究发现，反应中心的突变体蹦2 l o w 中处于 激发态的p 的荧光寿命明显长于天然反应中心的情况，同时低温下其荧光量子产 额要比天然反应中心增强2 0 0 多倍，结合离子对p + q a 的作用光谱研究，从而推 断出位于b 或h 的激发能不仅存在向p 的传递途径，还存在向其它能量受体的 传递并引起电荷分离，如由h 或b 的激发而引起的电荷分离。 近年来，虽然关于紫细菌中激发能传递与能量转化原初机理的研究取得了 很大的进展，但是在光物理与光化学反应中的各个相关过程中，仍然有不少关键 问题还远没有得到圆满解决。如紫细菌光化学反应中心具有左右对称的结构，为 何电子传递却是单侧进行。完整的光合作用器官中的能量传递及电子传递过程跨 越了三个量级的时间，从几十个飞秒到几百个皮秒，这些过程涉及原初的激发能 离域及在色素分子间的相干迁移，电荷分离及电子传递等等，在对原初光物理与 6 复旦大学硕士学位论文 第一章 光化学反应的各个环节的研究中应该适当地引进动态的概念。随着新的技术手段 及新概念的不断引入，关于紫细菌中激发能传递与能量转化机理的研究一定会取 得更大的进展。 1 4r c 功能性纳米仿生膜的构建及电子传递的研究方法 1 4 1r c 功能性纳米仿生膜的构建 1 4 1 1 自组装法( s e l f - a s s e m b l y , s a m ) 自组装是指分子与分子之间靠非共价键作用力( 包括库仑力，范德华力、疏 水作用力、j i n 堆叠作用力、氢键) 形成具有一定结构和功能的聚集体的过程。 自组装单分子膜( s a m ) 是分子通过化学键相互作用而自发吸附在固液或气固 界面形成的热力学稳定和能量最低的有序膜。近年来，自组装膜修饰电极的研究 成为电分析化学研究的