楊培東PNAS：通過光譜學研究闡明無機生物混合系統中光化學反應的能量轉移

【引言】

對于無機生物混合系統中發生的光化學反應過程推動了生物無機界面動力學的研究和發展。例如一個很典型的系統—熱醋穆爾氏菌-硫化鎘，該系統結合了無機半導體CdS（光捕獲劑）和可以生成乙酸的細菌，這樣該系統可以高效得將二氧化碳還原成乙酸。在這個系統中無機半導體可以高效的捕獲光子，但是對于無機半導體和生物有機體之間的能量轉移機制的研究仍尚不明確。

【成果簡介】

日前，來自美國加州伯克利的科學家楊培東教授（通訊作者）報道了一種特殊的電行為過程，并且提出了在熱醋穆爾氏菌-硫化鎘生物混合系統中新的電荷轉移機制。實驗結果揭示了該機制存在兩步過程：1）高量子效率的能量轉移過程引起H₂酶的制取氫氣分子的過程，這個過程在整個中間過程占了很長時間（24h）；2）直接的酶催化引起的能量轉換過程，用于乙酸產物的合成，占了3h。這項工作實現了新的具有應用前景的平臺，可以用于傳統的光譜學方法去研究更復雜的無機生物混合系統的研究。

【圖文導讀】

圖1. 熱醋穆爾氏菌-硫化鎘生物混合系統中光反應過程中電子轉移機制的圖解。

（A）在瞬態吸收光譜測量下，可見光激發CdS光感應粒子來實現CO₂光合成乙酸產物。

（B）在光反應過程中的電子電勢的變化

圖2. 熱醋穆爾氏菌-硫化鎘生物混合系統的生物化學分析結果。

（A）H₂酶在不同的氫氣合成時間范圍內的活性變化。

（B）在第一個三小時時間的光反應合成時間內，隨著H₂產量的增加，二氧化碳到乙酸的轉換速率會有遞減趨勢。相比之下，24小時的葡萄糖培養的細胞數的生長速率達到了0.47+/-0.15mMh^-1。

（C）隨著氫氣量的增加，在第一個24h內，二氧化碳轉變為乙酸的速率不斷增加。

圖3. 瞬態吸收光譜用來研究熱醋穆爾氏菌-硫化鎘生物混合系統。

（A）瞬態吸收光譜中分別測量無細胞條件下，24h葡萄糖出現條件下以及24小時氫氣出現條件下的CdS的表征結果。

（B）隨著氫氣的合成時間的增加，平均lifetime的變化情況。

（C）歸一化后的lifetime的加權平均數。

圖4. 時間分辨的紅外光譜表征熱醋穆爾氏菌-硫化鎘生物混合系統。

（A）、（C）24h產氫氣下的熱醋穆爾氏菌-硫化鎘生物混合系統在C、N、O雙鍵和三鍵處的一些峰的減弱。

（B）、（D）24h葡萄糖的出現下的熱醋穆爾氏菌-硫化鎘生物混合系統對應的C、N、O的三鍵或者雙鍵相應的峰。

圖5. 提出在熱醋穆爾氏菌-硫化鎘生物混合系統中新的兩步電子能量轉換機制。

（A）在葡萄糖培養的細胞中無氫化酶作用下的第一個3小時內的光化學合成的快速過程占主導。

（B）薄膜鍵和的氫化酶調制作用下的過程，在產氫的細胞中占主導。而且在很長的時間間隔內快速發生。

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

本文由材料人編輯部納米組Xu Kun供稿，材料牛編輯整理。

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