專利名稱：嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
菌紫質(zhì)是一種具有光功能的蛋白質(zhì)，是迄今為止所知道的最簡(jiǎn)單的光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵。菌紫質(zhì)吸收光子后，迅速從暗適應(yīng)狀態(tài)變?yōu)楣膺m應(yīng)狀態(tài)，發(fā)生反式視黃醛分子的異構(gòu)變化和質(zhì)子化、去質(zhì)子化，光循環(huán)過程中出現(xiàn)了一系列光學(xué)可分辨的中間態(tài)K、L、M、N、 0，最后回到初始態(tài)。在此循環(huán)過程中，菌紫質(zhì)在胞外釋放質(zhì)子，又從胞內(nèi)攝取質(zhì)子，建立膜兩側(cè)的電勢(shì)差，即光電壓，在電流計(jì)上可以測(cè)量到光電流信號(hào)。細(xì)菌視紫紅質(zhì)既可以利用光能合成腺苷三磷酸(ATP)，類似于光合作用的功能，也可以在無光情況下進(jìn)行氧化磷酸化，進(jìn)行細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖。由于菌視紫紅質(zhì)在紫膜中有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能，所以無論在光能轉(zhuǎn)換機(jī)理研究方面，還是作為納米生物材料的應(yīng)用方面都具有十分重要的意義。紫膜的結(jié)構(gòu)和功能的特點(diǎn)，決定了紫膜材料可作為優(yōu)良的納米生物材料之一。它結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性是一般的生物材料不可能達(dá)到的。也許由于二維六角型晶格結(jié)構(gòu)的緣故， 在器件所要求的干膜狀態(tài)下，紫膜可以在一 30°C到140°C的狀態(tài)下不失去活性，此時(shí)一般的蛋白質(zhì)早已變性。紫膜作為納米生物材料可用于構(gòu)造生物分子器件的內(nèi)在原因在于第一，光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子泵的功能可實(shí)現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能和電能；第二，光照產(chǎn)生的分子內(nèi)的電荷分離產(chǎn)生的光電特性可制成光電子器件；第三，細(xì)菌視紫紅質(zhì)光循環(huán)中間體之間產(chǎn)生的光致變色特性可用于光子器件。紫膜在嗜鹽菌原生質(zhì)膜上以碎片形式存在，直徑大約為0. 5微米，厚度5納米，它與原生質(zhì)膜上其余部分紅膜共面。碎片中的唯一蛋白質(zhì)細(xì)菌視紫紅質(zhì)以三體形。當(dāng)細(xì)菌視紫紅質(zhì)在大腸桿菌中異元表達(dá)時(shí)，視紫紅質(zhì)也是位于膜上，在通常的研究方法中是通過加去垢劑的方法使膜上的蛋白溶解下來，但去垢劑往往十分昂貴，難以用于實(shí)際的工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中。半導(dǎo)體光催化技術(shù)在利用太陽能方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在眾多的氧化物半導(dǎo)體光催化材料中，Τ 02以其光誘導(dǎo)下的強(qiáng)氧化性、無毒和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)在凈化環(huán)境方面表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。但是，Ti02光催化材料的光生電子-空穴對(duì)復(fù)合幾率較高；另一方面，銳鈦礦型Ti02對(duì)太陽光的利用率低，這嚴(yán)重阻礙了 Ti02光催化材料的工業(yè)化推廣和應(yīng)用。近十幾年來，世界各國的科技工作者一直在努力地探索多種制備方法和改性手段以求提高Ti02光催化效率和對(duì)太陽光的利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種嗜鹽菌光敏蛋白_ 二氧化鈦納米管復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明中的嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)為在鈦金屬基體表面生長(zhǎng)有一層Ti02納米管陣列，在所述的Ti02納米管陣列中Ti02納米管內(nèi)存在嗜鹽菌光敏蛋白，所制備的Ti02納米管陣列膜層厚度約4微米，納米管的管徑大小在20-70nm之間。嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料制備方法通過轉(zhuǎn)化質(zhì)粒的方法改造大腸桿菌，使其大量表達(dá)視紫紅質(zhì)蛋白。超聲破碎菌體后用β-巰基乙醇和肌氨酰將膜蛋白提取出，之后用TritonX-IOO處理。復(fù)合材料的制備方法是將二氧化鈦納米材料放入蛋白溶液中，抽真空處理一段時(shí)間，之后低溫脫水處理，得到嗜鹽菌光敏蛋白_ 二氧化鈦納米管復(fù)合材料。在本發(fā)明中通過加入0. 01%β -巰基乙醇和10%的肌氨酰的方法，在破碎并離心后的上清中也看到了紫紅色，說明有視紫紅質(zhì)蛋白從膜上溶解下來，這與不加0.01%β-巰基乙醇和10%的肌氨酰而直接破碎并離心后的上清顏色有明顯的不同。0. 01%β -巰基乙醇和 10%的肌氨酰價(jià)格低廉，有大規(guī)模使用于生產(chǎn)中的前景。通過在Ti02納米管陣列中嵌入嗜鹽菌光敏蛋白來實(shí)現(xiàn)材料的光電轉(zhuǎn)換特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在10°C條件下進(jìn)行脫水處理后，該材料具有良好的可見光響應(yīng)能力，能有效地減少光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率，提高Ti02納米管陣列的光電響應(yīng)。


圖1為掃描電子顯微鏡下的TiO2納米管陣列圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述 實(shí)施例1
將含有PET28aJ56質(zhì)粒的大腸桿菌Rossetta菌株用劃線法接種于含卡納抗生素的滅過菌的LB固體培養(yǎng)基中。24小時(shí)后挑單克隆，接種于5ml含卡納抗生素的LB液體培養(yǎng)液中，200rpm，37°C培養(yǎng)24小時(shí)進(jìn)行活化。將Iml活化培養(yǎng)好的大腸桿菌轉(zhuǎn)接到250ml的LB 液體培養(yǎng)基中進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。將擴(kuò)大培養(yǎng)好的大腸桿菌按照20ml的接種量轉(zhuǎn)接到2L的 LB液體培養(yǎng)基中，37°C、200rpm培養(yǎng)2_3個(gè)小時(shí)，期間經(jīng)常測(cè)菌液在600nm處的吸光度OD 值，直至OD值達(dá)0. 6時(shí)在菌液中加入IPTG至終濃度ImM，加0. 5%的視黃醛，37°C誘導(dǎo)4個(gè)小時(shí)。將已誘導(dǎo)表達(dá)視紫紅質(zhì)蛋白的菌液4000rpm離心20分鐘，收菌體。向沉淀中加入 0. 01% β -巰基乙醇和10%的肌氨酰，重懸菌體，200W超聲破碎約30分鐘。12000rpm離心 20min,回收上清液。上清液加入0. 5%TritonX-100,混勻，終止β -巰基乙醇和肌氨酰的作用，最終得到視紫紅質(zhì)蛋白溶液。將二氧化鈦納米材料放入蛋白溶液中，抽真空處理30min， 之后10°C脫水處理，得到嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料，參見圖1。上述LB培養(yǎng)基PH為7.0，固體培養(yǎng)基加6%瓊脂；滅菌條件為121°C，0. IMPa， 20min ；卡納濃度為千分之一。上述二氧化鈦納米材料是在鈦金屬基體表面制備一層TiO2納米管陣列，所制備的 TiO2納米管陣列膜層厚度約4微米，納米管的管徑大小在20-70 nm之間。實(shí)施例2將含有PET28aJ56質(zhì)粒的大腸桿菌Ro ssetta菌株用劃線法接種于含卡納抗生素的滅過菌的LB固體培養(yǎng)基中。24小時(shí)后挑單克隆，接種于IOml含卡納抗生素的LB液體培養(yǎng)液中，200rpm，37°C培養(yǎng)24小時(shí)進(jìn)行活化。將2ml活化培養(yǎng)好的大腸桿菌轉(zhuǎn)接到250ml的 LB液體培養(yǎng)基中進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)。將擴(kuò)大培養(yǎng)好的大腸桿菌按照IOml的接種量轉(zhuǎn)接到2L 的LB液體培養(yǎng)基中，37°C、200rpm培養(yǎng)2_3個(gè)小時(shí)，期間經(jīng)常測(cè)菌液在600nm處的吸光度 OD值，直至OD值達(dá)0. 5時(shí)在菌液中加入IPTG至終濃度ImM，加0. 5%的視黃醛，37°C誘導(dǎo)4 個(gè)小時(shí)。將已誘導(dǎo)表達(dá)視紫紅質(zhì)蛋白的菌液4000rpm離心20分鐘，收菌體。向沉淀中加入 0. 01% β -巰基乙醇和10%的肌氨酰，重懸菌體，250W超聲破碎約20分鐘。12000rpm離心 20min,回收上清液。上清液加入0. 5%TritonX-100,混勻，終止β -巰基乙醇和肌氨酰的作用，最終得到視紫紅質(zhì)蛋白溶液。將二氧化鈦納米材料放入蛋白溶液中，抽真空處理40min， 之后10°C脫水處理，得到嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料。上述LB培養(yǎng)基PH為7.0，固體培養(yǎng)基加6%瓊脂；滅菌條件為121°C，0. IMPa， 20min ；卡納濃度為千分之一。上述二氧化鈦納米材料是在鈦金屬基體表面制備一層TiO2納米管陣列，所制備的 TiO2納米管陣列膜層厚度約4微米，納米管的管徑大小在20-70 nm之間。實(shí)施例3
將含有PET28aJ56質(zhì)粒的大腸桿菌Rossetta菌株用劃線法接種于含卡納抗生素的滅過菌的LB固體培養(yǎng)基中。24小時(shí)后挑單克隆，接種于5ml含卡納抗生素的LB液體培養(yǎng)液中，200rpm, 37°C培養(yǎng)24小時(shí)進(jìn)行活化。將5ml活化培養(yǎng)好的大腸桿菌轉(zhuǎn)接到2L的LB液體培養(yǎng)基中，37°C、200rpm培養(yǎng)6_8個(gè)小時(shí)，期間經(jīng)常測(cè)菌液在600nm處的吸光度OD值，直至 OD值達(dá)0. 4時(shí)在菌液中加入IPTG至終濃度ImM，加0. 5%的視黃醛，37°C誘導(dǎo)4個(gè)小時(shí)。將已誘導(dǎo)表達(dá)視紫紅質(zhì)蛋白的菌液4000rpm離心20分鐘，收菌體。向沉淀中加入0. 01%β -巰基乙醇和10%的肌氨酰，重懸菌體，200W超聲破碎約30分鐘。12000rpm離心20min，回收上清液。上清液加入0. 5%TritOnX-100，混勻，最終得到視紫紅質(zhì)蛋白溶液。將二氧化鈦納米材料放入蛋白溶液中，抽真空處理50min，之后10°C脫水處理，得到嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料。上述LB培養(yǎng)基PH為7. 0，固體培養(yǎng)基加6%瓊脂；滅菌條件為121°C，0. IMPa, 20min ；卡納濃度為千分之一。上述二氧化鈦納米材料是在鈦金屬基體表面制備一層TiO2納米管陣列，所制備的 TiO2納米管陣列膜層厚度約4微米，納米管的管徑大小在20-70 nm之間。
權(quán)利要求
1.嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料，其特征在于在鈦金屬基體表面生長(zhǎng)有一層TiO2納米管陣列，在所述的TiO2納米管陣列中TiO2納米管內(nèi)存在嗜鹽菌光敏蛋白。
2.嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟1)將含有PET28aJ56質(zhì)粒的大腸桿菌Rossetta菌株接種于LB液體培養(yǎng)基中進(jìn)行活化培養(yǎng)；步驟2)將活化培養(yǎng)好的大腸桿菌按照1-10%(ν/ν)的接種量轉(zhuǎn)接到250ml的LB液體培養(yǎng)基中進(jìn)行擴(kuò)大培步驟3)將擴(kuò)大培養(yǎng)好的大腸桿菌按照1-10%(ν/ν)的接種量轉(zhuǎn)接到2L的LB液體培養(yǎng)基中，37°C、200rpm培養(yǎng)2-3個(gè)小時(shí)，至0D600nm達(dá)0. 6步驟4)在菌液中加入IPTG至終濃度ImM，加0. 5%的視黃醛，37°C誘導(dǎo)4個(gè)小時(shí)； 步驟5) 4000rpm離心20分鐘，收菌體；步驟6)在離心后的沉淀中加入0. 01%β -巰基乙醇和10%的肌氨酰，重懸菌體，200W超聲破碎越30分鐘；12000rpm離心20分鐘，回收上清液；步驟7)上清液加入0. 5%TritOnX-100，得到視紫紅質(zhì)蛋白溶液； 步驟8)將二氧化鈦納米材料放入蛋白溶液中，抽真空處理一段時(shí)間，之后低溫脫水處理，得到嗜鹽菌光敏蛋白_ 二氧化鈦納米管復(fù)合材料；所述的二氧化鈦納米材料是在鈦金屬基體表面制備一層TiO2納米管陣列。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料及其制備方法。光敏蛋白為嗜鹽古菌視紫紅質(zhì)蛋白，通過改造大腸桿菌，使其大量表達(dá)視紫紅質(zhì)蛋白。超聲破碎菌體后用β-巰基乙醇和肌氨酰將膜蛋白提取出，之后用TritonX-100處理。復(fù)合材料的制備方法是將二氧化鈦納米材料放入蛋白溶液中，抽真空處理一段時(shí)間，之后低溫脫水處理，得到嗜鹽菌光敏蛋白-二氧化鈦納米管復(fù)合材料。本發(fā)明所涉及的工藝流程簡(jiǎn)單，所用試劑價(jià)格低廉，該材料具有良好的可見光響應(yīng)能力，能有效地減少光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合幾率，提高TiO2納米管陣列的光電響應(yīng)，在光電器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C12P21/00GK102332532SQ20111028706
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者吳敏, 朱旭芬, 李宇波, 楊麗娜, 楊杭生 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)