形貌效应对纳米氧化钨-菌紫质复合体光电响应的影响与调控机制

跨膜蛋白菌紫质是研制生物光电装置的理想材料，但因其光电响应强度过小严重阻碍了相关应用的发展。本项目依据纳米材料的形貌特点决定其理化性质这一基本原理，针对形貌效应对纳米氧化钨-菌紫质复合体光电响应的影响展开研究，目的在于实现利用纳米材料同菌紫质构成复合体以提高光电响应强度。拟通过改变制备方法和参数，获取不同形貌的纳米氧化钨，并同菌紫质构建一系列复合体，分析其光电响应变化，筛选出对复合体光电响应强度有所提高或形式有所改变的纳米氧化钨产物。利用原位拉曼光谱技术动态、实时地监控筛选出的特征复合体发生光电响应的全过程，考察其中菌紫质和纳米氧化钨的分子特征变化，同单纯菌紫质发生光电响应的全过程进行比较，并结合菌紫质泵质子的机制，解析纳米氧化钨对于复合体光电响应影响的调控机制，进而为建立评价纳米材料同菌紫质形成复合体以提高光电响应强度的通用形貌初筛标准及推进菌紫质光电性能实际应用提供理论指导和技术支持。

本项目针对形貌效应对纳米氧化钨-菌紫质复合体光电响应的影响展开研究，主要通过水热法制备氧化钨纳米方块、纳米棒和纳米颗粒，并通过改变制备参数，优化其与菌紫质所构成复合体的生物活性。同时，以最优制备条件下各种形貌纳米氧化钨同菌紫质构成复合体电极，对复合体光电响应强度进行研究，发现氧化钨纳米颗粒对于复合体光电响应提高幅度最明显。进一步通过原位拉曼光谱技术动态、实时地监控纳米氧化钨-菌紫质复合体，观察到菌紫质激发态M态的拉曼谱图呈现随时衰减的明显趋势，而且掺入不同形貌纳米氧化钨之后，复合体系中的激发态M态随时衰减均有所增强，其中掺入氧化钨纳米颗粒的复合体系衰减最为迅速。由于M态的衰减同光电响应产生有直接关系，可以初步认为纳米氧化钨的掺入是通过增强菌紫质光化学循环而导致光电响应增强，且分散度较高的氧化钨纳米颗粒比其他形貌的纳米氧化钨对菌紫质光化学循环影响更为明显。此外，由于后续工作中菌紫质-纳米氧化钨复合电极将最终用于哺乳动物体内，因此本研究中还以小鼠为实验材料，分别对三种不同形貌的纳米氧化钨的进行了生物安全性研究，对适用于复合体电极中的纳米氧化钨安全浓度进行评价。初步探明，氧化钨纳米颗粒由于其分散度较高，更易引起机体氧化损伤，因此，从纳米氧化钨-菌紫质复合体的实际应用来看，选择较不易引起氧化损伤的氧化钨纳米棒作为电极复合材料更理想。同时，加入MT或其他氧化损伤保护剂将有助于提高纳米氧化钨-菌紫质复合体电极的实用性。目前，我们正进一步开展深入研究，以确保能找到对生物体毒性效应最小且能更大幅度提高复合体光电响应的纳米氧化钨材料。