產(chǎn)生葡萄糖的電化學(xué)方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】產(chǎn)生葡萄糖的電化學(xué)方法和系統(tǒng) 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及產(chǎn)生葡萄糖的方法和系統(tǒng)，具體地，本發(fā)明涉及利用水、二氧化碳、電 磁能量、黑色素、黑色素前體、黑色素衍生物、黑色素類似物或黑色素變體來產(chǎn)生葡萄糖。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 葡萄糖是單糖，其化學(xué)通式為C6H12〇6。葡萄糖是食物鏈的基本分子，并且是許多生 物的主要能量來源，一個(gè)產(chǎn)生葡萄糖的經(jīng)充分研究的過程是植物的光合作用。
[0004] -般來說，光合作用是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。更具體地，通過光合作用，植 物利用光能，將二氧化碳(co2)和水(H20)轉(zhuǎn)化為氧氣(〇2)和葡萄糖。該過程的另一重要成分 是被稱為葉綠素的色素。葉綠素通過吸收光能或光子，從而啟動(dòng)光合作用。對于每一個(gè)吸收 的光子，葉綠素會(huì)失去一個(gè)電子，產(chǎn)生電子流，其隨后產(chǎn)生必要的能量，以催化裂解水為氫 離子或質(zhì)子(H+)和02。所得的質(zhì)子梯度用來產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)形式的化學(xué)能。該化學(xué)能 隨后用于將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為葡萄糖。
[0005] 與葉綠素相似，黑色素也屬于色素。黑色素由氮、氧、氫和碳組成，然而其確切的結(jié) 構(gòu)并未被完全闡明。黑色素在自然界普遍存在，并且其合成方法在文獻(xiàn)中已知。許多年來， 黑色素除了被認(rèn)為是等同于2%的硫酸銅溶液的具有低保護(hù)因子的簡單防曬品之外，其本 身沒有生物或生理功能。黑色素還被認(rèn)為是最黑的分子，因?yàn)樗軌蛭諑缀跛胁ㄩL的 能量，但是它似乎并不釋放任何能量。該特性對于黑色素來說是獨(dú)特的，其與熱力學(xué)定律相 矛盾，因?yàn)槠渌軌蛭漳芰康幕衔?尤其是色素）能夠釋放一部分的吸收能。黑色素的 電子性能由此成為相當(dāng)長一段時(shí)間關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，黑色素為人們已知的最為穩(wěn)定的化 合物之一，并且很長一段時(shí)間，似乎黑色素并不能催化任何化學(xué)反應(yīng)。
[0006] 近年來，人們發(fā)現(xiàn)了黑色素能夠吸收能量，并且利用吸收的能量裂解、重構(gòu)水分子 的固有特性。因此，黑色素吸收所有波長的電磁能(包括可見和不可見的光能），它能夠借助 水裂解以及隨后的重構(gòu)來消散這種吸收的能量。用黑色素及其類似物、其前體、其衍生物或 其變體將水裂解為氫和氧的光電化學(xué)過程，在美國專利申請?zhí)枮閁S 2011/0244345的專利 申請中有所描述。
[0007] 不希望受任何理論束縛，據(jù)信，黑色素的反應(yīng)如下述方案I所示。
[0009] -旦吸收電磁能（可見或不可見），黑色素就催化水裂解為雙原子氫(H2)、雙原子 氧(〇2)和電子(e)。盡管水裂解為氫和氧會(huì)消耗能量，然而該反應(yīng)是可逆的，并且在逆向反 應(yīng)中，氧原子在雙原子氫的還原下，重新形成為水分子，釋放能量。
[0010]因此，黑色素可以將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，與植物在光合作用過程中利用葉綠素將 光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能類似。因而，基于類似的效果，我們將該過程命名為為"人工光合作用"。 然而，黑色素參與的水裂解反應(yīng)與葉綠素參與的水裂解反應(yīng)至少有2個(gè)重要方面的不同之 處。其一，葉綠素不能催化水分子重構(gòu)的逆向過程。其二，葉綠素催化的水裂解反應(yīng)只能在 活細(xì)胞中進(jìn)行，并且需要波長范圍400nm-700nm的可見光。因此，隨后葡萄糖的生成也只能 在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行。相比之下，黑色素可以利用任何形式的電磁能（尤其是波長在200nm - 900nm之間的光能(可見或不可見））在活細(xì)胞外水解、重構(gòu)水分子。
[0011] 發(fā)明概述
[0012] 現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)，一旦吸收電磁能，例如不可見或可見的光能，黑色素可以裂解或重構(gòu) 水分子，并且隨后催化二氧化碳(c〇2)和水生成葡萄糖的反應(yīng)。
[0013]本發(fā)明涉及電化學(xué)方法和系統(tǒng)，其利用黑色素、黑色素前體、黑色素衍生物、黑色 素類似物以及黑色素變體將二氧化碳(C02)和水生成葡萄糖。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可以 利用黑色素將二氧化碳(C02)和水生成葡萄糖，僅額外需要一種電磁能量源，比如不可見或 可見的光能、伽瑪射線、X射線、紫外光、紅外輻射、微波和無線電波。與葉綠素將光能轉(zhuǎn)化為 化學(xué)能的能力有所不同，其隨后被用于在細(xì)胞內(nèi)通過光合作用產(chǎn)生葡萄糖，而黑色素可以 在活細(xì)胞外，通過電化學(xué)方法產(chǎn)生葡萄糖。因此，目前為止，這種產(chǎn)生葡萄糖的方法無法在 實(shí)驗(yàn)室復(fù)制。
[0014]在一個(gè)總的方面，本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生葡萄糖（C6Hl2〇6)的電化學(xué)方法。根據(jù)本發(fā) 明的實(shí)施方式，所述的電化學(xué)方法包括:在至少一種黑色素物質(zhì)和電磁能量源的存在下，將 水與溶解在其中的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)。所述的至少一種黑色素物質(zhì)選自下組:黑色素、 黑色素前體、黑色素衍生物、黑色素類似物、以及黑色素變體。由于黑色素能夠吸收電磁能， 并且可以將該電磁能轉(zhuǎn)化為可利用的化學(xué)能，因此，根據(jù)本發(fā)明所述的電化學(xué)方法，不需外 加電流即可產(chǎn)生葡萄糖。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明所述的電化學(xué)方法是光電化學(xué) 方法，并且電磁能量源為光電能，選自可見光和不可見光，其波長在200nm-900nm的范圍。
[0015] 在另一總的方面，本發(fā)明涉及產(chǎn)生CnH2n0n類物質(zhì)的電化學(xué)方法，其中η代表整數(shù)。 在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，η代表1、2、3、4、5或6,由此使得用本發(fā)明的方法產(chǎn)生的CnH2n〇 n類物 質(zhì)是葡萄糖前體、或葡萄糖本身。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，所述的電化學(xué)方法包括:在至少 一種黑色素物質(zhì)和電磁能量源的存在下，將水與溶解在其中的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行反應(yīng)。較 佳地，光電能選自可見的和不可見的光能，其波長在200nm-900nm的范圍。
[0016] 在另一方面，本發(fā)明涉及利用水、二氧化碳、黑色素和電磁能量源產(chǎn)生葡萄糖和 CnH2n〇n類物質(zhì)的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，用于通過電化學(xué)方法產(chǎn)生葡萄糖的系統(tǒng)包 括：
[0017] (i)反應(yīng)室，用于接收水和溶解在其中的⑶2氣體、以及至少一種黑色素物質(zhì)，其中 所述的至少一種黑色素物質(zhì)選自下組：黑色素、黑色素前體、黑色素衍生物、黑色素類似物 以及黑色素變體;和
[0018] (ii)電磁能量源，由此使得電磁能傳遞入反應(yīng)室，并為黑色素物質(zhì)所吸收。
[0019] 在本發(fā)明實(shí)施方式中，所述用于產(chǎn)生葡萄糖的系統(tǒng)不需復(fù)雜的操作或設(shè)置，因而 僅需要一個(gè)容器以及電磁能量源，該容器用于接收水和溶解在其中的C02氣體、至少一種黑 色素物質(zhì)，而該電場能量源為至少一種黑色素物質(zhì)提供足夠的能量，以催化裂解、重構(gòu)水分 子以及隨后形成葡萄糖。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，電磁能量源將波長為200nm - 900nm的 可見或不可見的光能傳遞入反應(yīng)室。
[0020] 本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的細(xì)節(jié)列于以下說明中。其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下 的詳述和所附權(quán)利要求書中明顯得出。
[0021] 發(fā)明詳述
[0022] 本文提及的所有專利和出版物都通過引用的方式并入本文。除非另有定義，否則 本文所用的所有技術(shù)性和科學(xué)性術(shù)語是本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員普遍理解的相同含義。否 貝1J，本文所用的某些術(shù)語具有如說明書中所闡述的含義。
[0023] 需注意，如本文和附屬的權(quán)利要求所用，單數(shù)形式的"一 (a)"、"一個(gè)(an)"、以及 "該"包括復(fù)數(shù)引用，除非上下文另有明確的說明。
[0024] 如本文所用，術(shù)語"水電解的"是指將水分子裂解為氧氣和氫氣的方法。如本文所 用，"電解