[发明专利]一种固定化绿藻细胞的生物电极及其使用和测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固定化绿藻细胞的生物电极及其使用方法，即在平面多孔电极材料上使用硅溶胶-凝胶方法固定绿藻细胞，构建绿藻生物电极。在电解液中加入电子介体实现绿藻细胞光反应中心与电极间的电子传递，以三电极体系并外加电压对电极进行测试。

背景技术

绿藻制氢是目前制氢领域中的研究热点。绿藻在光合作用II过程中能将水分解成氧气、质子和电子，电子经过光合系统I的电子传递链及铁氧化还原蛋白传递给氢酶，氢酶将质子还原为氢气。绿藻产氢过程中，产氢电子来源包括依赖于PS II的直接途径和不依赖于PS II的间接途径，二者的分配比例以及具体的电子传递机理对产氢藻株的调控改造及规模产氢的实用化具有重要意义，相关研究尚未有确定性结果。由于微藻细胞内部生化反应及代谢网络的复杂性，同时其反应中心往往附着于生物膜与外界隔离，无法直接得到其内环境的信息，包括氧化还原电位与代谢产物的影响等等无法直接考察，以细胞作为对象研究其关键反应中心动力学变化规律在现阶段受到极大限制。而以生物燃料电池或电解电池技术研究绿藻产氢代谢中电子传递，即通过电子介体将生化反应中心，尤其是光合系统产生电子直接传递至电极并加以检测考察，对深入研究绿藻产氢过程中代谢机理，以及与其他代谢网络的相互关系具有重要意义。例如Torimura等以蓝藻为研究对象，使用DMBQ作为光诱导电子的传递介体，在悬浮体系及碳糊电极系统下实现了基于微藻的生物光电转换，获得了大约1微安量级的光诱导电流。

综观这些类似的研究，其中的关键问题在于如何实现电子在生化反应中心与电池的电极间的高效传递，在此问题上藻细胞悬浮体系及碳糊电极系统由于扩散限制以及由此导致的还原态介体重新与氧结合的增强，均会大大降低电子的传递效率。将微藻细胞固定于电极材料上则可有效地解决这一问题，现有研究中藻细胞的固定化虽有大量报道，但以硅溶胶-凝胶方法固定藻细胞在电极材料上制备绿藻生物电极并结合介体的使用应用于光诱导电子传递的研究，在国内外均未有报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种固定化绿藻细胞的生物电极及其使用和测试方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种固定化绿藻细胞的生物电极，将绿藻细胞与硅溶胶混合涂层固定于电极材料上，构建绿藻生物电极。

该生物电极是在平面多孔电极材料上采用硅溶胶-凝胶固定绿藻细胞制备而成。

在平面多孔电极材料上采用硅溶胶-凝胶方法固定绿藻细胞；

具体操作步骤如下：

1)硅溶胶的制备：取四乙氧基硅烷、PH＝2-3的HCl水溶液在室温下强烈搅拌形成酸性硅溶胶，用NaOH将硅溶胶pH调整为7.5-8.5备用；

2)取生长对数后期的绿藻藻细胞，重悬在一定体积的硅溶胶中，充分混匀，用移液器吸取一定体积的混合液平铺在多孔电极材料上，在空气中风干，即制备了绿藻生物电极。

步骤(1)中硅溶胶的制备：取四乙氧基硅烷、PH＝2-3的HCl水溶液体积比为1∶8-10，搅拌时间为24-72h，酸性硅溶胶pH为2.2-2.4。调硅溶胶pH所用NaOH为1M。

步骤(2)中取生长对数后期，浓度约1-6×10⁶cells/mL的绿藻，经1500-4000r/min离心浓缩2-5min，倒掉上层水后，即得所述的藻细胞。电极材料为碳纸、不锈钢网或钛电极，电极面积为0.5-24cm²，移液器吸取藻-硅溶胶的混合液体积为25-300μL。

所述的固定化绿藻细胞的生物电极的使用方法，以制备的绿藻生物电极作为工作电极，对电极是铂电极或钛电极，将工作电极和对电极置于添加有电解质溶液的电解池中；在可见光存在下，在电解质溶液中加入电子介体实现绿藻细胞光反应中心与电极间的电子传递，在工作电极和对电极间可形成电势差；加入电子介体终浓度为10-400μM。

所述电解质溶液为盐度为20-35。绿藻为海水绿藻采用灭菌海水为电解质溶液，绿藻为淡水绿藻采用磷酸缓冲液为电解质溶液。

所述的固定化绿藻细胞的生物电极的测试方法，以三电极体系并外加电压对电极进行测试；以绿藻生物电极作为工作电极，与对电极及参比电极构成三电极体系，在电解池溶液中加入电子介体，在电化学工作站上进行测试。具体为；