叶绿体/SiO2复合材料的制备及光捕获性能研究
作者单位：陕西师范大学
学位级别：硕士
导师姓名：沈淑坤
授予年度：2016年
学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学]
摘 要：自然界中生物活细胞具有精细的结构和多重功能,例如,红细胞能通过血红蛋白将吸入肺泡中的氧运送给组织,而组织中新陈代谢产生的二氧化碳通过红细胞运送到肺部并被排出体外;叶绿体能够通过光合作用将光能转化为可贮存的化学能。活细胞的各种功能一直吸引着科学家,包括化学家。活细胞检测、活细胞疗法、活细胞产能等新兴技术是当前的热点研究领域,相应地出现了一系列丰富的仿生材料,并且这些材料已经在设计生物催化剂、生物传感器、人工器官等方面得以应用。然而,活细胞对周围环境的敏感性限制了它们的体外实际应用,为此,科学家们做了大量的工作以延长它们的生物功能,其中最重要的途径之一即为选择合适的基质进行细胞包埋。常用的细胞包埋基质包括二氧化硅、藻酸钙、氧化铝,其中最常用的二氧化硅基质因其具有化学性质稳定、光学透明,机械性能良好,最重要的是具有很好的生物相容性等特点,因此成为包埋生物细胞的首选材料。自然界中硅藻的广泛存在也说明二氧化硅壳层对细胞的保护作用具有实在性和普适性。近年来,有机改性硅氧烷作为细胞包埋基质因具有可调节微结构也日益受到关注,同时这也进一步拓展了硅基基质在生物包埋领域的应用范围。有机硅氧烷通过溶胶-凝胶过程制备的硅基复合材料已经被广泛地应用于环境监控、药物载体、激光材料、光学器件、仿生材料等诸多领域。基于以上研究背景,本课题组模拟硅藻的天然结构,设计制备了叶绿体/二氧化硅以及叶绿体/有机硅复合材料,以实现对叶绿体光合作用功能的保存和体外应用。通过叶绿体对有机硅溶胶-凝胶过程的界面导向作用,结合不同有机硅源的性质,可控制备得到了单分散复合微球和复合凝胶材料,并且利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)等多种测试手段对材料的微观结构进行了表征,利用Zeta电位分析深入研究了叶绿体膜界面和硅溶胶界面间的静电相互作用,通过紫外可见分光光谱跟踪对叶绿体/SiO复合材料的光捕获性能进行了研究。具体而言,本研究内容分为以下两个部分：(1)从菠菜叶中提取出叶绿体,以单个叶绿体为模板,通过溶胶-凝胶过程使TEOS在弱碱性条件下原位沉积制备单分散的叶绿体/SiO复合微球。采用SEM、TEM对得到的样品形貌进行表征,结果表明,制备的叶绿体/SiO复合微球分散性很好,粒径均匀,几乎都呈球形结构,无粘连现象出现。EDX能谱分析和XRD分析结果提供了形成二氧化硅壳层的依据。为了探究叶绿体与二氧化硅之间的相互作用,我们分别对叶绿体悬浮液、二氧化硅溶胶以及形成的叶绿体/SiO复合微球进行了Zeta电位分析,结果表明,叶绿体表面所带的电荷促使TEOS在其表面进行水解-缩合形成带负电荷的二氧化硅。也就是说,二氧化硅通过静电作用吸附在叶绿体的外层,这为形成单分散的叶绿体/SiO复合微球提供了理论依据。紫外可见分光光度计的分析结果表明,与叶绿体悬浮液相比,形成的叶绿体/SiO复合微球能够很好的延长叶绿体的光捕获性能。因此,通过延长叶绿体中色素的光捕获能力可以将叶绿体/SiO复合微球作为一个微型的光催化反应器。(2)在上述工作的基础上,利用原位沉积法制备叶绿体/MAPTMS有机复合凝胶。以有机硅氧烷3-甲基丙烯酸丙酯三甲氧基硅烷(MAPTMS)为硅源,在弱碱性条件下,引发MAPTMS的水解-缩合,在叶绿体表面原位沉积,制备具有紫外光可聚合的官能团叶绿体/MAPTMS有机硅凝胶。借助SEM、EDX、XRD、紫外可见分光光度计等技术对形成的样品形貌、组成、性质进行了检测。结果表明形成的凝胶材料中叶绿体分散均匀,形貌保存完好。EDX能谱分析结果说明有Si元素存在,与叶绿体悬浮液相比,形成的有机复合凝胶明显地延长了叶绿体的光捕获性能。本工作基于仿生材料设计理念,有效地将叶绿体的光捕获性能与SiO前驱体的性质结合起来通过溶胶-凝胶过程制备硅基复合材料,不仅从原理上解释了叶绿体与二氧化硅之间的相互作用,而且丰富了以叶绿体为模板表面沉积二氧化硅制备叶绿体/SiO复合微球材料以及凝胶材料的相关理论知识。
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