杨培东PNAS：通过光谱学研究阐明无机生物混合系统中光化学反应的能量转移

【引言】

对于无机生物混合系统中发生的光化学反应过程推动了生物无机界面动力学的研究和发展。例如一个很典型的系统—热醋穆尔氏菌-硫化镉，该系统结合了无机半导体CdS（光捕获剂）和可以生成乙酸的细菌，这样该系统可以高效得将二氧化碳还原成乙酸。在这个系统中无机半导体可以高效的捕获光子，但是对于无机半导体和生物有机体之间的能量转移机制的研究仍尚不明确。

【成果简介】

日前，来自美国加州伯克利的科学家杨培东教授（通讯作者）报道了一种特殊的电行为过程，并且提出了在热醋穆尔氏菌-硫化镉生物混合系统中新的电荷转移机制。实验结果揭示了该机制存在两步过程：1）高量子效率的能量转移过程引起H₂酶的制取氢气分子的过程，这个过程在整个中间过程占了很长时间（24h）；2）直接的酶催化引起的能量转换过程，用于乙酸产物的合成，占了3h。这项工作实现了新的具有应用前景的平台，可以用于传统的光谱学方法去研究更复杂的无机生物混合系统的研究。

【图文导读】

图1. 热醋穆尔氏菌-硫化镉生物混合系统中光反应过程中电子转移机制的图解。

（A）在瞬态吸收光谱测量下，可见光激发CdS光感应粒子来实现CO₂光合成乙酸产物。

（B）在光反应过程中的电子电势的变化

图2. 热醋穆尔氏菌-硫化镉生物混合系统的生物化学分析结果。

（A）H₂酶在不同的氢气合成时间范围内的活性变化。

（B）在第一个三小时时间的光反应合成时间内，随着H₂产量的增加，二氧化碳到乙酸的转换速率会有递减趋势。相比之下，24小时的葡萄糖培养的细胞数的生长速率达到了0.47+/-0.15mMh^-1。

（C）随着氢气量的增加，在第一个24h内，二氧化碳转变为乙酸的速率不断增加。

图3. 瞬态吸收光谱用来研究热醋穆尔氏菌-硫化镉生物混合系统。

（A）瞬态吸收光谱中分别测量无细胞条件下，24h葡萄糖出现条件下以及24小时氢气出现条件下的CdS的表征结果。

（B）随着氢气的合成时间的增加，平均lifetime的变化情况。

（C）归一化后的lifetime的加权平均数。

图4. 时间分辨的红外光谱表征热醋穆尔氏菌-硫化镉生物混合系统。

（A）、（C）24h产氢气下的热醋穆尔氏菌-硫化镉生物混合系统在C、N、O双键和三键处的一些峰的减弱。

（B）、（D）24h葡萄糖的出现下的热醋穆尔氏菌-硫化镉生物混合系统对应的C、N、O的三键或者双键相应的峰。

图5. 提出在热醋穆尔氏菌-硫化镉生物混合系统中新的两步电子能量转换机制。

（A）在葡萄糖培养的细胞中无氢化酶作用下的第一个3小时内的光化学合成的快速过程占主导。

（B）薄膜键和的氢化酶调制作用下的过程，在产氢的细胞中占主导。而且在很长的时间间隔内快速发生。

文献链接：Spectroscopic elucidation of energy transfer in hybrid inorganic–biological organisms for solar-to-chemical production(PANS，2016，doi: 10.1073/pnas.1610554113)

本文由材料人编辑部纳米组Xu Kun供稿，材料牛编辑整理。

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