專(zhuān)利名稱(chēng)：：用于光催化制氫的復(fù)合納米材料及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及含有氫化酶和制氫納米顆粒的復(fù)合材料，所述制氫納米顆粒具有用于由可再生原料制氫的光催化劑。
背景技術(shù)：
：近來(lái)，人們對(duì)生產(chǎn)氫氣作為替代能源產(chǎn)生了極大的興趣。氫燃料電池技術(shù)的普及使用有賴(lài)于使用高效，經(jīng)濟(jì)上可行，并且環(huán)境友好的方式生產(chǎn)大量氫氣(Armor&a/.2005;Speigel"a/.2004;TsengWa/.2005;Winter&a/.2005)。用于獲取能源而生產(chǎn)的大部分氫來(lái)自于甲垸或化石燃料的重組過(guò)程，因此，基于這些過(guò)程的氫能經(jīng)濟(jì)并不能減少對(duì)不可再生的化石燃料的依賴(lài)性。因此，開(kāi)發(fā)能夠由可再生資源(如給料(feedstocks))高效制氫，并且不產(chǎn)生溫室氣體或其它環(huán)境污染物的化學(xué)反應(yīng)的催化劑顯得至關(guān)重要。氫化酶是非常先進(jìn)的催化劑，其產(chǎn)生氫氣的速率令合成化學(xué)家艷羨。很多微生物都能產(chǎn)生含金屬的氫化酶(H2ases)(VigaiswW.2001;Petersefa/.1998,1999;Adamsa/.1990)，氫化酶在氫氣的氧化或者在質(zhì)子的還原過(guò)程中按照下式發(fā)生作用2HT(aq)+2e-H2aseH2(g)氫氣的氧化與還原當(dāng)量的產(chǎn)生結(jié)合在一起，推動(dòng)能量產(chǎn)生或生物合成過(guò)程。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，一些微生物能夠?qū)⑻茄趸桦娮虞d體的氧化和再生與質(zhì)子還原和氫氣的產(chǎn)生結(jié)合在一起。大部分含金屬的氫化酶上的催化位都由具有一氧化碳和氰化物與Fe的雙原子配體的Fe-Fe或混合金屬NiFe位組成。氫化酶是唯一已知的能將這些通常有毒的化合物作為活性態(tài)的酶的必要部分利用的酶。和一般的酶一樣，氫化酶也被組裝以顯示精確的組織基序(organizationalmotifs),利用它們的蛋白結(jié)構(gòu)來(lái)定位，并在化學(xué)上保持一個(gè)活性位，而在該活性位中底物的進(jìn)入和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移通道是關(guān)鍵的"設(shè)計(jì)"特征。底物、還原劑和產(chǎn)物必須能夠進(jìn)出催化位。此外，催化劑的連續(xù)循環(huán)需要不斷地加入反應(yīng)物和轉(zhuǎn)移產(chǎn)物。氫化酶的催化位由獨(dú)特的具有一氧化碳和氰化物配體的生物金屬簇(Fe或者NiFe)組成(PetersWa/.1998;Happe"a/.1997;Nicoleta/.2000;PierikWa/.1998;Volbeda"a/.1995)。生物制氫可能會(huì)在新興的氫經(jīng)濟(jì)中扮演關(guān)鍵角色(VarfolomeyevW2004;Wunschiers"a/.2002;Chum"a/.2001)。人們對(duì)將酶催化劑用于各種用途的材料中表現(xiàn)出越來(lái)越大的興趣。在應(yīng)用中利用酶，有幾個(gè)典型問(wèn)題需要解決。底物、還原劑和產(chǎn)物必須能夠進(jìn)出催化位。此外，催化劑的連續(xù)循環(huán)需要不斷加入反應(yīng)物并且轉(zhuǎn)移產(chǎn)物。雖然從這些酶中己發(fā)現(xiàn)高達(dá)9000單位H2每單位酶每秒的速率(Adamsda/.1990;Cammack^a/.1999)，但這些酶對(duì)氧氣極度的敏感性，受限的表達(dá)Climitedexpression)和難以分離使其難以成為制氫的實(shí)用方法。目前尚缺乏對(duì)使用氫化酶進(jìn)行商業(yè)規(guī)模制氫的方法和系統(tǒng)的研7究。美國(guó)專(zhuān)利No.6,858,718公開(kāi)了一種氫化酶的基因編碼，以及使用該基因產(chǎn)品進(jìn)行分子氫的微生物生產(chǎn)的方法。更具體地說(shuō)，該發(fā)明公開(kāi)了孤立的核酸序列對(duì)穩(wěn)定的氫化酶(HydA)進(jìn)行編碼，所述穩(wěn)定的氫化酶(HydA)能夠催化質(zhì)子的還原而形成分子氫。美國(guó)專(zhuān)利No.4,532，210公開(kāi)了在藻類(lèi)培養(yǎng)基(algalculture)中使用交替的明暗周期來(lái)進(jìn)行生物制氫。該方法包括下述步驟的交替在有氧條件下，在光照存在下，在水中培養(yǎng)藻類(lèi)，以在藻類(lèi)中積累光合產(chǎn)物(淀粉)的步驟；在微氧條件下，在黑暗中，在水中培養(yǎng)藻類(lèi)，分解光合反應(yīng)積累的產(chǎn)物來(lái)制氫。該方法采用了氮?dú)獯祾呒夹g(shù)來(lái)除去培養(yǎng)物(culture)中的氧氣。美國(guó)專(zhuān)利No.4，442,211披露，通過(guò)對(duì)水相中的藻類(lèi)進(jìn)行光照產(chǎn)生氫氣這一過(guò)程的效率可以通過(guò)下述方法得到提高在有氧氣氛下，在培養(yǎng)基中進(jìn)行光照的第一個(gè)階段中，對(duì)已漂白的藻類(lèi)進(jìn)行培養(yǎng)，直到其重新獲得顏色，然后再將其置于光照的第二個(gè)階段中，此時(shí)，氫的產(chǎn)生速率提高。該專(zhuān)利使用了一個(gè)反應(yīng)器，其中的光照環(huán)境基本不存在C02和大氣02，該環(huán)境的維持通過(guò)向反應(yīng)器中通入惰性氣體(如氦)以排除所有含水介質(zhì)中的水分子分裂產(chǎn)生的氫氣和氧氣來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。盡管使用惰性氣體連續(xù)清除產(chǎn)生氫氣的培養(yǎng)器使得氫氣能夠持續(xù)產(chǎn)生，但這樣的清除過(guò)程價(jià)格昂貴，并且對(duì)于大規(guī)模的藻類(lèi)培養(yǎng)物而言不切實(shí)際。因此，本發(fā)明通過(guò)整合互不相關(guān)的酶法制氫、光催化納米材料和電致變色/光致變色聚合物凝膠技術(shù)的知識(shí)，滿(mǎn)足了長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于商業(yè)規(guī)模制氫的需求。發(fā)明概述本發(fā)明涉及由可再生原料(如簡(jiǎn)單給料(feedstocks))制造氫氣的復(fù)合材料和方法。一方面，本發(fā)明涉及用于光催化制H2的復(fù)合材料，其包含l)聚合物凝膠、2)光催化劑和3)基于蛋白質(zhì)的H2催化劑。所述H2催化劑可以是酶，比如氫化酶，它可以從多種生物體中獲得，比如微生物，包括但不限于巴氏固氮梭狀芽孢桿菌(C/o欲Www/7fljfewn.a"Mm」、丄a/ra6acfe/"wofifes/ogaf/o//zz7ws、桃紅莢硫菌(Z/7/oca戸a^eo;mW"^或它們的組合。所述復(fù)合材料還可以包含氧化還原介質(zhì)(如聚紫羅堿)，以及除氧劑(如Cu(O))。所述光催化劑可以被制成納米顆粒，可被封裝在蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)中。所述H2催化劑也可以是人造酶，如包含殼和核的蛋白質(zhì)籠的氫化酶模擬制品。蛋白質(zhì)籠的殼可以包含24亞基蛋白(24subunitprotein)，如小熱休克蛋白(HSp)。蛋白質(zhì)籠的核可以包含選自鉑、鎳、鐵和鈷的金屬。本發(fā)明還涉及使用本發(fā)明的復(fù)合材料制氫的方法。例如，本發(fā)明提供了下述制氫方法，其包含使電子給體與含有l(wèi))聚合物凝膠、2)光催化劑和3)基于蛋白質(zhì)的H2催化劑的復(fù)合材料進(jìn)行反應(yīng)。所述電子給體可由多種來(lái)源獲得，例如但并不限于乙酸、檸檬酸、酒石酸、乙醇、EDTA、羥胺及其混合物。所述電子給體還可以是亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽和連二亞硫酸鹽。為了更全面地理解本發(fā)明，并進(jìn)一步體現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)，可以參見(jiàn)以下附圖圖1是制氫裝置中使用的復(fù)合材料的圖。圖2顯示了氫化酶巴氏固氮梭狀芽孢桿菌(CpI)和丄.mo^y/o^/o;M^(Lm)在溶液中和封裝于溶膠-凝膠中時(shí)的制氫活性t表示溶液中的Cpl;，表示溶膠-凝膠中的Cpl;A表示溶液中的Lm;隱表示溶膠-凝膠中的Lm。圖3顯示了氫化酶巴氏固氮梭狀芽孢桿菌(CpI)和丄.moc^toga/c^/H'/ws(Lm)在溶液中和封裝于溶膠-凝膠中時(shí)的制氫活性對(duì)溫度的依賴(lài)性:4表示溶液中的Cpl;，表示溶膠-凝膠中的Cpl;A表示溶液中的Lm;n表示溶膠-凝膠中的Lm。圖4顯示了在存在蛋白酶(空白)和不存在蛋白酶(陰影)的情況下，巴氏固氮梭狀芽孢桿菌在溶液中和封裝于溶膠-凝膠中時(shí)的制氫活性。圖5中(A)是來(lái)自詹氏甲垸球菌(AfeA""ococcwj/fl朋""/w7)(pdb:1shs)的小熱休克蛋白(Hsp)籠的空間充填示意圖，(B)是Hsp的剖視圖，顯示了籠的內(nèi)部空腔。圖6是Hsp的尺寸排阻色譜圖(A)非礦化的Hsp;(B)250Pt/Hsp礦化的Hsp，顯示了蛋白質(zhì)(280nm)和礦物質(zhì)(350nm)的共析；(C)1000Pt/Hsp礦化的Hsp，顯示了蛋白質(zhì)(280nm)和礦物質(zhì)(350nm)的共析。圖7(A)是未染色(unstained)的Hsp1000Pt的TEM圖像，插圖顯示了Hsp1000Pt上的PtQ的電子衍射；(B)是2。/。醋酸鈾酰染色的Hsp1000Pt的TEM圖像；(C)是Hsp1000Pt中Pt顆粒直徑的直方圖。平均2.2(0.7nm標(biāo)尺)20亂圖8(A)是2%醋酸鈾酰染色的Hsp250Pt的TEM圖像；(B)是Hsp250Pt中Pt顆粒直徑的直方圖。標(biāo)尺)20nm。圖9是Pt-Hsp光致產(chǎn)生H2的示意圖，甲基紫羅堿(,2+)用作光催化劑Ru(bpy),和引起H2產(chǎn)生的Pt-Hsp之間的電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)。圖10顯示了從0.2mMRu(bpy)32+、0.5mM甲基紫羅堿、200mMEDTA和500mMpH5.0的醋酸鹽中的Pt-Hsp制氫A表示1000Pt/Hsp5.1x10'10molPt;表示250Pt/Hsp8.2x10"0molPt。發(fā)明詳述本申請(qǐng)涉及的所有出版物和專(zhuān)利申請(qǐng)均以引用方式納入本申請(qǐng)，其和每個(gè)出版物和專(zhuān)利申請(qǐng)均單獨(dú)明確地以引用方式納入本申請(qǐng)中程度相同。以下描述包含了有助于理解本發(fā)明的信息。但并非承認(rèn)此處提供的任何信息均為現(xiàn)有技術(shù)或與本申請(qǐng)有關(guān)，或者任何明確或含蓄地引用的出版物是現(xiàn)有技術(shù)。除非另有定義，此處使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)均與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的意義相同。盡管任何和本申請(qǐng)所述相似或等同的方法和材料均可用于本發(fā)明的實(shí)施或測(cè)試，但本申請(qǐng)描述了優(yōu)選的方法和材料。本發(fā)明涉及酶法制H2、光催化納米材料、以及電/光致變色聚合物凝膠技術(shù)。本發(fā)明提供的系統(tǒng)可以顯著提高制H2效率，使用該系統(tǒng)可以從非常簡(jiǎn)單的給料(feedstocks)(即可見(jiàn)光和簡(jiǎn)單有機(jī)酸(如醋酸鹽-醋))制備氫氣。一方面，本發(fā)明人已證明，使用簡(jiǎn)單有機(jī)酸、可見(jiàn)光和光催化劑，就可以產(chǎn)生足夠的還原當(dāng)量(reducingequivalents),來(lái)激發(fā)氫化酶的活性并產(chǎn)生氫氣。為了優(yōu)化這些結(jié)果，將氫化酶固定并封裝于聚合物凝膠基體中，由此形成的酶凝膠微粒與電子給體(如連二亞硫酸鹽)和電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)(如甲基紫羅堿)培養(yǎng)產(chǎn)生氫氣。這種方法利用了氫化酶的效率和特性，并且在聚合物形成中所施加的合成控制構(gòu)造了堅(jiān)固的復(fù)合材料，可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)制氫的許多目標(biāo)和目的。另一方面，本發(fā)明涉及使用新型蛋白質(zhì)籠或納米顆粒作為氫化酶模擬制品，來(lái)產(chǎn)生氫氣。包含蛋白質(zhì)"殼"和"核"的納米顆?？梢曰旌显谝黄鹦纬赏耆{米顆?；騼?nèi)核混合物的新型組合物。此外，可以裝填所述殼層，來(lái)形成具有任意多種不同材料的納米顆粒，包括有機(jī)、無(wú)機(jī)和金屬有機(jī)材料，及其混合物。特別優(yōu)選的實(shí)施方案使用金屬催化劑，如鉑，以便有效地還原質(zhì)子。此外，由于殼層是蛋白質(zhì)的，可以通過(guò)多種方法(包括但不限于共價(jià)和非共價(jià)衍生以及重組方法)任意改變其物理或化學(xué)性質(zhì)。鉑是化學(xué)反應(yīng)中常用的一種金屬催化劑。但眾所周知，鉬的成本高，供應(yīng)有限。為了最大限度地利用這種催化劑，有必要探索如何最大化鉑在每原子基礎(chǔ)上的催化效率，以開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行的催化劑(Spiegele/fl/.2004)。在開(kāi)發(fā)顆粒Pt催化劑的方法中，有必要將顆粒直徑最小化，從而增大表面積(即，每個(gè)顆粒中暴露的Pt原子數(shù))。己經(jīng)有多種不同的合成方法被用于合成具有不同鈍化層的鉬納米顆粒(Bruggerefa/.1981;ChenWa/.2000;Chenefa/.1999;Ekldundo/.2004;GomezWa/.2001;Jiang&a/,2004;Kellera/.1980;NarayananWa/.2004;SongWa/.2004;Teranishi&a/.2000;Tua乙2000;ZhaoW2002)。所述鈍化層通常會(huì)干擾暴露的Pt原子并降低效率(Brugger"a/.1981)。在本發(fā)明中，發(fā)明人使用了蛋白質(zhì)籠作為合成平臺(tái)，與鈍化層不同，所述蛋白質(zhì)籠沒(méi)有包裹整個(gè)納米顆粒的表面，而是使顆粒分散于溶液中，并防止聚集。蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)己被用作生物模板來(lái)建立蛋白質(zhì)和金屬之間的界面(Allen"a/.2003;Flenniken"a/.2003)。籠狀結(jié)構(gòu)以前被用作分子容器來(lái)封裝有機(jī)和無(wú)機(jī)材料(Flenniken"a/.2003;McMillan"a/.2002)。蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)由有限數(shù)量的蛋白亞單位自組裝而來(lái)，形成相當(dāng)確定的、容器狀的形貌，其內(nèi)部和外部表面可在化學(xué)上截然不同(DouglasandYoung,1998;Flenniken"o/.2003)。此夕卜，可以通過(guò)亞單位界面的孔隙控制分子進(jìn)入內(nèi)部(Kim"a/.1998)。發(fā)明人先前已說(shuō)明，蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)可用作納米材料的合成中尺寸和形狀受限的反應(yīng)環(huán)境(DouglasandYoung，1998;UsselmanWa/2005;AllenWa/.2002，2003;Flenniken"a/.2003)。這些籠結(jié)構(gòu)已被證實(shí)能夠?qū)o(wú)機(jī)納米顆粒穩(wěn)定于設(shè)定的尺寸和晶形。此外，通過(guò)基因修飾和化學(xué)改性，可以在籠結(jié)構(gòu)中的精確位置構(gòu)建活性中心，以創(chuàng)造嶄新的功能(Klem""/.2005)。本申請(qǐng)的發(fā)明人利用籠結(jié)構(gòu)內(nèi)部來(lái)進(jìn)行空間選擇性礦化，成功地構(gòu)建了蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)，其能夠模擬受控分子接近H2ase中展示的活性中心的通道。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是用四甲氧基硅烷(TMOS)作為起始原料，制備含有氫化酶的干凝膠和濕凝膠。將水和HC1與TMOS—起超聲處理產(chǎn)生四羥基硅烷。加入蛋白質(zhì)緩沖溶液(pH8.0)(l:lv:v)引發(fā)縮合，形成Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)。在特氟龍缸(Teflonwdls)或者直接在反應(yīng)瓶中將該混合物制成溶膠-凝膠微粒。用厭氧緩沖液反復(fù)漂洗凝膠，以消除未被包裹的蛋白質(zhì)。所有的H2ase:溶膠-凝膠樣品都在厭氧條件下制備。通過(guò)向如前所述的密封的厭氧瓶中的緩沖溶液中懸浮的凝膠中加入甲基紫羅堿和連二亞硫酸鹽，來(lái)開(kāi)始制氫。取樣反應(yīng)瓶上部的氣體，通過(guò)氣相色譜分析對(duì)產(chǎn)生的氫氣作定量分析。下面進(jìn)一步提供本發(fā)明的各個(gè)方面。材料的耐久性由巴氏固氮梭狀芽孢桿菌獲得的純化的氫化酶是用于將JT還原制H2的高效催化劑。該酶的長(zhǎng)期穩(wěn)定性可通過(guò)在蛋白質(zhì)的外表面附加薄聚合物涂層，或通過(guò)封裝于聚電解質(zhì)多層膜中，對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改性而顯著地增強(qiáng)。此外，將該酶固定于三維交聯(lián)的聚紫羅堿凝膠基體中可以提高電子轉(zhuǎn)移效率。材料工程本發(fā)明通過(guò)控制納米顆粒的組成和形貌，進(jìn)而調(diào)控納米材料的光催化性能，來(lái)優(yōu)化納米顆粒，從而實(shí)現(xiàn)到氫化酶系統(tǒng)的有效電子轉(zhuǎn)移。此外，該合成控制利用了便宜并且易得的電子給體，如簡(jiǎn)單有機(jī)酸(醋酸、酒石酸、檸檬酸)。此外，發(fā)明人在制備電活性聚紫羅堿凝膠方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)使其得以將納米顆粒光催化劑和氫化酶加入固態(tài)基體中，并通過(guò)控制兩者間的化學(xué)計(jì)量和空間關(guān)系提高和優(yōu)化了電子給體和活性氫化酶之間的電子轉(zhuǎn)移效率。魅本發(fā)明通過(guò)控制光的量，并直接分析氫化酶、光催化劑、氧化還原介質(zhì)和電子給體與產(chǎn)生H2的量的函數(shù)關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)高效制H2。在這些研究中采用了與太陽(yáng)光譜相似的氙弧燈作為光源。制H7的速率如前所述，制備氫氣的速率可通過(guò)酶的分析直接測(cè)得。在(實(shí)施例詳細(xì)描述的)復(fù)合材料配方中氧化還原對(duì)(redoxpartner)的質(zhì)量傳遞最小化的條件下，來(lái)測(cè)量產(chǎn)生H2的速率。氫化酶和O，的抑制將氫化酶摻入電活性聚合物凝膠可以形成具有核-殼結(jié)構(gòu)的材料?？稍谕鈱訐饺牍獯呋瘎?、氧化還原介質(zhì)(紫羅堿)和由催化劑光分解產(chǎn)生的&反應(yīng)性Cu膠體。Cu通常用作除氧劑，而殼的高比表面積使之非常具有吸引力。因此，外層可以作為02的洗滌層(scrubbinglayer),以保護(hù)內(nèi)層中的氫化酶。所述內(nèi)層可以包含光催化劑、氫化酶、氧化還原介質(zhì)和電子給體。這一設(shè)計(jì)方法可以大大提高氫化酶對(duì)02的整體穩(wěn)定性。已經(jīng)證實(shí)，各種酶可以固定在二氧化硅-氧化物凝膠基體(溶膠-凝膠)上并且完全保持活性。事實(shí)上，在很多情況中酶的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期耐久性或某些酶的半衰期得到了增加。酶的封裝在基礎(chǔ)科學(xué)和生物
技術(shù)領(lǐng)域：
都具有巨大的應(yīng)用前景。在某些情況中，酶的固定可以延長(zhǎng)在溶液中壽命極短的中間體的穩(wěn)定性。對(duì)生物技術(shù)而言，封裝可形成具有工業(yè)應(yīng)用前景的耐久的異相催化劑。已經(jīng)證實(shí)可將純的活性氫化酶封裝于由四甲氧基硅烷制得的溶膠-凝膠中。本發(fā)明人證實(shí)，當(dāng)把這些酶植入多孔二氧化硅聚合物凝膠中時(shí)，氫氣氧化和質(zhì)子還原的氫化酶整體活性都保持了較高的百分比。從巴氏固氮梭狀芽孢桿菌、丄ar";ra6acterwoafestoga/o//n7wj和杉t紅莢硫菌獲得的封裝后的氫化酶的活性可以固定(beimmobilized),并且其表觀活性為溶液中的酶在產(chǎn)生氫氣的反應(yīng)中測(cè)量的表觀活性的至少65-70%。封裝的氫化酶在儲(chǔ)存和溫度升高的環(huán)境下，穩(wěn)定性表現(xiàn)出一定的增強(qiáng)。由L.wocfestoga/opMw獲得的固定的NiFe氫化酶在室溫下的氮?dú)夥障卤４?0天后，仍保持其85%的制氫活性。無(wú)論如何，氫化酶可以固定在其活性態(tài)的結(jié)果對(duì)于解決通過(guò)異相催化在固相制氫材料中利用氫化酶的實(shí)用性邁出了重要的一步。制氫材料氫化酶的穩(wěn)定性電活性聚合物凝膠基體中制氫酶的固定本發(fā)明提供了固定的(immobilized)氫化酶系統(tǒng)，其使用各種合成聚合物來(lái)封裝氫化酶的分子。各種封裝方法增加了酶的穩(wěn)定性。其它影響(其中植入氫化酶的)聚合物基體的優(yōu)化的因素是l)在聚合物中摻雜各種電子轉(zhuǎn)移劑/介質(zhì)的能力和2)聚合物對(duì)底物和反應(yīng)產(chǎn)物的滲透性。下列制氫酶已被成功封裝l)唯鐵氫化酶(Fe-onlyHydrogenase)，2)鎳鐵雙向氫化酶，以及3)堿性磷酸酶(磷酸鹽的氧化耦合制氫)。固定在這些多孔聚合物中可實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量的異相催化。所述固定的催化劑體系可通過(guò)化學(xué)或電學(xué)方法獲得還原電位。在三維催化劑中摻入電子轉(zhuǎn)移劑/介質(zhì)(來(lái)自于合成化學(xué)或生物來(lái)源)使得可以在三維的固定催化系統(tǒng)表面使用外源性還原力(reducingpower)o受控氫化酶的異源表達(dá)本發(fā)明進(jìn)一步提供了在宿主細(xì)胞中可控表達(dá)異源氫化酶的方法。在宿主E.Coli.中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了來(lái)自(幼ewa"e〃ao"e/Je"^)的氫化酶的受控異源表達(dá)。這是通過(guò)同時(shí)表達(dá)氫化酶結(jié)構(gòu)基因和氫化酶成熟過(guò)程中涉及的公認(rèn)的輔助基因產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)優(yōu)化目前的系統(tǒng)并且替換來(lái)自多種來(lái)源的氫化酶基因?qū)崿F(xiàn)氫化酶的最大表達(dá)?？煽乇磉_(dá)實(shí)現(xiàn)了氫化酶的基因工程，以提高穩(wěn)定性、催化活性和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的衍生化。光催化制H2本發(fā)明還包括在制氫過(guò)程中使用光催化劑的方法。光催化劑的添加給系統(tǒng)引入了一個(gè)額外的控制要素，并且有可能允許使用較低電勢(shì)的電子轉(zhuǎn)移劑/介質(zhì)作為還原當(dāng)量源。該催化劑體系通過(guò)應(yīng)用其內(nèi)部的電學(xué)或者化學(xué)氧化/還原電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)作。所述光催化劑的關(guān)鍵成分，及其具體合成包括1)具有受控尺寸和組成的催化納米顆粒的合成2)從光活性納米顆粒到電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移3)從光活性捕光分子到蛋白質(zhì)籠封裝的催化劑納米顆粒的電子轉(zhuǎn)移。具有受控尺寸和組成的納米顆粒的合成本發(fā)明還提供了合成具有受控尺寸和組成的納米顆粒的方法。仿生法已被用來(lái)系統(tǒng)地改變基于金屬氧化物的納米材料的組成，來(lái)調(diào)節(jié)光氧化還原過(guò)程的效率。通過(guò)制取一系列的蛋白質(zhì)封裝的納米材料，評(píng)估了組成對(duì)于產(chǎn)生MV的效率的作用。這些材料包括，但不限于Fe203、Fe304、Mn203、Mn304、Co203、Co304、Ti02'nH20以及摻雜了不同量的Ni(II)、ZnSe、CdSe、CdS、ZnS和MoS2的鐵基和鈷基材料。這些材料都已被合成并做了結(jié)構(gòu)表征。(\清除在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明在納米顆粒的結(jié)構(gòu)中使用了除氧劑。例如，在蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)中可包裹Cu(O)以保護(hù)氫化酶(或其它具有氧化還原活性的酶)的活性，其中Cu(0)對(duì)O2具有高反應(yīng)性并可作為除氧劑。因此，含氧化銅的氫化酶蛋白籠可能具有很多優(yōu)勢(shì)。首先，Cu可以作為原位除氧系統(tǒng)，納米顆粒的高比表面積使之非常引人注目。其次，由MV+光致還原產(chǎn)生的還原當(dāng)量可用于驅(qū)動(dòng)氫化酶系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。還原態(tài)的MV+不能還原Cu(II)到Cu(0)，因此，光致還原的這兩種產(chǎn)物自然而然地彼此獨(dú)立。光催化劑和捕光發(fā)色團(tuán)在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了利用蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)作為捕光分子的平臺(tái)的方法。例如，CCMV(及其它病毒)、鐵蛋白(及鐵蛋白類(lèi)似蛋白)、小熱休克蛋白、Dps蛋白的蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)可作為多價(jià)模板用于捕光分子的附著，所述捕光分子可用于驅(qū)動(dòng)電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)(如甲基紫羅堿)的光化學(xué)還原。這些包括如Ru(II)聯(lián)吡啶和Ru(II)鄰二氮雜菲的分子，這些分子可以以特定位點(diǎn)的方式(sitespecificmanner)附著在籠上。還原態(tài)的甲基紫羅堿可由氧化態(tài)的甲基紫羅堿(MV)通過(guò)有機(jī)物(如EDTA)光化學(xué)氧化獲得，其中使用Ru(bpy)^作為催化劑。此外，捕光發(fā)色團(tuán)可直接附著在氧化還原活性酶(如氫化酶)上，并可能消除傳質(zhì)限制和對(duì)電子傳遞介質(zhì)(如甲基紫羅堿)的需求。蛋白質(zhì)籠封裝的催化劑納米顆粒本發(fā)明還提供了包含其中封裝了催化劑納米顆粒的蛋白質(zhì)籠的組合物。本發(fā)明人已證實(shí)，Pt的納米顆粒可被有效封裝在蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)內(nèi)(CCMV、鐵蛋白、Hsp、Dps)。這些顆粒的大小和形狀受到蛋白質(zhì)籠的限制，使得Pt膠體具有很高的相對(duì)比表面積，從而具有高的!^還原制氫的速率。該反應(yīng)所需的還原當(dāng)量可由還原態(tài)的甲基紫羅堿(MV)提供。可選的，所述還原態(tài)的紫羅堿可通過(guò)化學(xué)方法，在EDTA存在下，借助Zn(作為鋅汞齊)的氧化得到。利用該耦合系統(tǒng)，制氫可以通過(guò)研究下列對(duì)象得到優(yōu)化Pt顆粒尺寸的依賴(lài)性、蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)的性質(zhì)(即，還原態(tài)紫羅堿到Pt納米顆粒的擴(kuò)散通路)、抑制催化劑中毒以延長(zhǎng)壽命、納米顆粒催化劑(如Pd、CoPt、FePt)的組成以及光催化劑耦合的性質(zhì)。本發(fā)明人在將小肽(源自噬菌體表面展示技術(shù)(phage-display))裝入蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)內(nèi)部的成功經(jīng)驗(yàn)有助于合成具有不同組成的納米顆粒，特別是合金顆粒。這些肽被證實(shí)能夠引起特定無(wú)機(jī)固體的成核和顆粒生長(zhǎng)，并且能引起晶型選擇。因此，合成一定數(shù)量的無(wú)機(jī)相可以用于實(shí)現(xiàn)催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與f還原形成H2的活性之間的最佳平衡。此處公開(kāi)的Pt顆粒封裝于蛋白質(zhì)籠中用作合成氫化酶模擬制品。這種體系能將具有最佳特性的膠體催化劑和生物催化劑裝入合成材料中。盡管膠體催化劑和生物催化劑都有其自身局限(對(duì)氧氣的敏感性、中毒、成本、以及反應(yīng)條件和壽命)，但將兩種類(lèi)型的催化劑組合起來(lái)可以避免了這些限制。還原劑本發(fā)明還包括用于還原態(tài)甲基紫羅堿(及其它)介質(zhì)形成的還原劑。有機(jī)物如乙二胺四乙酸、酒石酸、檸檬酸、醋酸、乙醇(及其它醇)，無(wú)機(jī)物如羥胺、亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽、連二亞硫酸鹽和Zn均可使用。使用亞硫酸鹽(S03"的優(yōu)點(diǎn)在于它是石油精煉過(guò)程中的污染性副產(chǎn)物(S02+H20—HSCV)。亞硫酸鹽的氧化形成硫酸鹽(SO,)。因此，使用亞硫酸鹽作為還原劑同時(shí)還解決了有機(jī)物氧化引起的生成C02的問(wèn)題。復(fù)合材料本發(fā)明還提供了促進(jìn)電子從氧化還原蛋白轉(zhuǎn)移到電極的方法。將從二氧化硅得到的溶膠-凝膠材料中的氧化還原活性蛋白限制在納米尺度，需要介質(zhì)(如甲基紫羅堿)來(lái)促進(jìn)與蛋白質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移。這些凝膠的多孔特性為封裝的蛋白質(zhì)提供了通路。能夠促進(jìn)電極表面和氫化酶氧化還原中心以及其它氧化還原活性蛋白之間的直接電子轉(zhuǎn)移的材料將消除對(duì)化學(xué)還原劑的催化依賴(lài)性。對(duì)于氫化酶，這些新型材料，將在酶法共催化生成和氧化H-2(g)過(guò)程中促進(jìn)從被封裝的酶到電極之間的電子流動(dòng)。上述材料源自電活性基體。已經(jīng)報(bào)到了多種生物電子玻璃(bioelectronicglass)，包括Sn摻雜的二氧化硅[Si/Si02]、V205、Mo03及Mn02。亞硫酸鹽制氫的耦合酶系統(tǒng)氫化酶可以通過(guò)下述方式與亞硫酸鹽氧化酶耦合，l)在基于自由擴(kuò)散的溶液的系統(tǒng)中2)通過(guò)共價(jià)固定(covalentattachment)(亞硫酸鹽氧化酶和氫化酶的交聯(lián))或3)通過(guò)將兩組分納入電活性多孔凝膠中。在這個(gè)體系中，亞硫酸鹽到硫酸鹽的酶氧化過(guò)程產(chǎn)生的還原當(dāng)量，可借助氫化酶引起質(zhì)子還原。如上所述，使用亞硫酸鹽(S03"的優(yōu)點(diǎn)是它是石油精煉過(guò)程中的污染性副產(chǎn)物(S02+H20今HS(V)。亞硫酸鹽的氧化生成了硫酸鹽(SO,)。因此，使用亞硫酸鹽作為還原劑還解決了有機(jī)物氧化引起的生成C02的問(wèn)題。耦合光催化劑和氫化酶在開(kāi)發(fā)可以利用光能從豐富的電子給體源(如亞硫酸鹽、有機(jī)酸、或者乙醇)生產(chǎn)氫氣的異相催化劑的過(guò)程中，將氫化酶和光催化劑(包括納米顆粒光催化劑)耦合在一起。耦合系統(tǒng)可以在水溶液中或在固定凝膠中工作。制備異相催化劑，使得底物和產(chǎn)物可以在液相中運(yùn)輸，復(fù)合材料的組分可固定在電活性凝膠(二氧化硅或其它聚合物，如聚紫羅堿)中。添加耗氧催化納米顆粒如(Cu(O))來(lái)防止氧敏感的氫化酶因氧氣而失活。無(wú)需進(jìn)一步說(shuō)明，相信本領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述說(shuō)明及下述實(shí)施例，即可制備并且使用本發(fā)明的化合物并實(shí)施要求保護(hù)的方法。因此，下述實(shí)施例具體指出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但不應(yīng)被視為以任何方式對(duì)本公開(kāi)其余部分的限制。實(shí)施例l:氫化酶在聚合物凝膠中的封裝本實(shí)施例具體著眼于H2ase:溶膠-凝膠材料的制氫活性。氫化酶是雙向酶，也可以催化氫氣的氧化。將H2ase:溶膠-凝膠微粒置于氫氣排出壓力下的緩沖液(pHS.0)中，并測(cè)定氫氣的氧化活性。監(jiān)測(cè)甲基紫羅堿還原引起的電子流。根據(jù)溶液中的觀察，不論H2aSe形式是NiFeH2ase(LawpraZactermoofestoga/o;/n7i^(Lm)禾口桃紅莢硫菌(Tr))還是唯FeH2aSe(巴氏固氮梭狀芽孢桿斷CpI))，H2ase:溶膠-凝膠微粒保留約60-70%的析氫比活性(表l)(氫化酶的分離(a)Z.wo^stogfl/o/7M^:Zadvomy,O.A.;Zorin,N.A.;Gogotov，I.N.;Gorlenko，V.M.所oc/zem/5^y(Mwc〕2004，眠164-169。(b)T！mseo/jera/c/wa:Sherman,M.B.;Orlova,E.V.;Smirnova,E.A.;Hovmoller,S,;Zorin,N.A./5acteWo/:1991，773,2576-2580。(c)C./oytewn'mw炕Chen，丄S.;Mortenson，L.E.所octo.歷—Jcta1974,377，283-298)。表l:溶膠-凝膠封裝的氫化酶的制氫活性<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>"25'C下測(cè)量的活性，單位為nmol/分鐘/mg蛋白質(zhì)。數(shù)值表示一小時(shí)內(nèi)的平均速率在同樣條件下檢測(cè)空白凝膠沒(méi)有氫氣產(chǎn)生。與更高純度的制劑相比，由源自巴氏固氮梭狀芽孢桿菌的唯鐵氫化酶Cpl熱處理后的粗提取制劑組成的部分提純制劑封裝后保留了相似水平的活性(分別為70%和60%)(處理后的粗提取物通過(guò)下述方法制備通過(guò)壓力盒(pressurecell)進(jìn)行細(xì)胞溶解處理，之后在55。C下溫育10分鐘，在4'C下過(guò)夜沉積，在20000g下離心分離以清除細(xì)胞顆粒和沉積的蛋白質(zhì))。這說(shuō)明提取物中的額外的蛋白質(zhì)大分子成分的共封裝并沒(méi)有顯著影響活性。雖然粗提取物的封裝使得材料的定型性較差，但能在封裝和固定酶的粗制劑的同時(shí)保持相近的活性水平是具有現(xiàn)實(shí)意義的，因?yàn)闅浠傅漠愒幢磉_(dá)不易得，純化是非常費(fèi)力的，并且制備大量的純化材料非常昂貴。到目前為止，Cpl是直接從厭氧環(huán)境下生長(zhǎng)的巴氏固氮梭狀芽孢桿菌細(xì)胞中純化而來(lái)的，并且酶是在無(wú)氧和有還原劑的條件下純化而來(lái)的。長(zhǎng)期穩(wěn)定性和溫度的適應(yīng)性對(duì)于潛在的高產(chǎn)量的制氫生物催化劑而言是至關(guān)重要的?；钚詺浠笇?duì)氧敏感，并且典型的是，稀酶制劑在室溫下的貯存壽命有限。對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些生物催化劑的應(yīng)用，這些性質(zhì)都是有待克服的障礙。本發(fā)明人對(duì)純化的LmNiFe氫化酶和Cpl熱處理的提取物的貯存壽命(圖2)和熱穩(wěn)定性(圖3)做了詳細(xì)研究。凝膠封裝的酶可存放在室溫下的厭氧緩沖液中，四周后保留了初始原料約80%的活性(圖2)。封裝的氫化酶的穩(wěn)定性增強(qiáng)在較長(zhǎng)的時(shí)間段中最為突出。溫度研究表明，封裝后的酶的功能和在溶液中大致相當(dāng)(圖3)。后續(xù)研究將監(jiān)測(cè)更長(zhǎng)的貯存期，但無(wú)論如何，考慮到優(yōu)化這些酶的封裝條件尚未嘗試，此處顯示的結(jié)果是振奮人心的。目前還不清楚是什么因素造成了H2ase:溶膠-凝膠的活性隨時(shí)間下降。似乎是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的暴露后，還原態(tài)的介質(zhì)結(jié)合到溶膠-凝膠材料上。這并不奇怪，因?yàn)樵从赥MOS的溶膠-凝膠的Si-O網(wǎng)絡(luò)和未反應(yīng)的Si-OH部分使溶膠-凝膠材料內(nèi)具有強(qiáng)的離子配對(duì)能力。這可能造成H2ase:溶膠-凝膠的活性隨時(shí)間緩慢下降。將溶液中和溶膠-凝膠封裝的CplH2ase樣品用蛋白酶處理(巴氏固氮梭狀芽孢桿菌提取物樣品在活性測(cè)定前用蛋白酶混合物(proteasecocktail)處理25分鐘)，以確保觀察到的制氫活性來(lái)自于植入溶膠-凝膠材料的多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的酶(圖4)(Tr和Lm氫化酶不易受蛋白水解消化的影響)。暴露于蛋白酶25分鐘后，溶液中的CpIH2ase的活性降低到幾乎為零。CpIH2ase:溶膠-凝膠的活性在類(lèi)似的蛋白酶處理后降低了不到7%。這個(gè)小的下降可能是由于蛋白酶消化了可接觸的表面束縛的或未封裝的H2ase。這些結(jié)果清楚地表明，絕大多數(shù)活性氫化酶被植入凝膠內(nèi)，并且避免了其發(fā)生蛋白質(zhì)水解。此外，這些結(jié)果表明，封裝的效率高，并且觀察到的氫化酶活性的降低不是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的部分封裝。因此活性的損失可以歸因于封裝過(guò)程中的酶失活或者基體中傳質(zhì)速率的整體下降。將H2ase以納米尺度封裝于多孔溶膠-凝膠內(nèi)促成了功能化制氫生物材料的合成。作為異相催化劑，這些新材料具有巨大的潛力和效用。實(shí)施例2封裝于Hsp籠內(nèi)的Pt納米顆粒的合成本實(shí)施例描述了封裝于Hsp籠內(nèi)的Pt納米顆粒的合成。源于盧氏伊綜球慮的小熱休克蛋白(Hsp)的自組裝籠狀結(jié)構(gòu)被用來(lái)封裝具有預(yù)定空間布局的金屬簇(Flennikenefa/.2003)。Hsp由24個(gè)亞基組成12nm的籠結(jié)構(gòu)，用貫穿籠結(jié)構(gòu)的孔隙限定了6.5nm的內(nèi)腔，通過(guò)所述內(nèi)腔，分子可以往返于內(nèi)外環(huán)境(圖5)(Kime^/.1998)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，將純化的Hsp在65。C下用PtCl^溫育15分鐘。用150、250、或1000Pt每蛋白質(zhì)籠來(lái)培育蛋白質(zhì)籠。隨后用二甲胺硼烷復(fù)合物((CH3)2NBH3)還原，形成褐色溶液。用尺寸排阻色譜表征反應(yīng)產(chǎn)物，顯示其保留體積和與未經(jīng)處理的Hsp相同，并顯示了蛋白質(zhì)(280nm)和鈾(350nm)組分的共析(圖6)。動(dòng)態(tài)光散射表明，反應(yīng)后顆粒的直徑?jīng)]有變化。Pt處理的Hsp(Pt-Hsp)的透射電子顯微鏡(TEM)圖顯示出，由電子衍射識(shí)別為Pt金屬的電子密集中心(圖7A插圖)，以及負(fù)染色時(shí)顯示了完整的12nm的蛋白籠(圖7B)。在染色的樣品中，Pt顆?？梢郧逦貜纳鲜霰尘吧锌闯觯⑶襊t顆粒被固定在籠結(jié)構(gòu)內(nèi)。在平均載荷為1000Pt/籠時(shí)，觀察到2.2(0.7nm)的金屬顆粒(圖7C)。在理論載荷為250Pt/籠時(shí)，觀察到1(02nm)的顆粒(圖8)，而在載荷為150Pt/籠時(shí)，由于電子顯微鏡的限制而辨別不出任何顆粒。不含Hsp的控制反應(yīng)可形成聚集的鉑膠體，其能夠迅速?gòu)娜芤褐谐恋?。在相同的總蛋白濃度下，使用牛血清白蛋?BSA)的控制反應(yīng)也引起本體沉淀，并且只有一部分Pt保留在溶液中，通過(guò)TEM可以發(fā)現(xiàn)其顆粒尺寸分布寬(3-120nm)。Pt-Hsp蛋白質(zhì)籠復(fù)合材料是高活性的人造催化劑，可以還原氫離子形成氫氣，其速率可以媲美高效氫化酶。在典型的氫化酶分析中，還原態(tài)的甲基紫羅堿(MV+)被用作還原當(dāng)量源推動(dòng)反應(yīng)。和大多數(shù)離體氫化酶(invitrohydrogenase)試驗(yàn)使用連二亞硫酸鹽產(chǎn)生MV+不同，本發(fā)明使用可見(jiàn)光和催化劑(Ru(bpy)f)通過(guò)氧化簡(jiǎn)單的有機(jī)物如EDTA(Brugger1981;Jiang"fl/.2004)(圖9)來(lái)產(chǎn)生MV+。在此改變的分析中，在25'C下，用配備了紅外濾光片和紫外截止濾光片(<360nm)的150瓦氙弧燈照射溶液。在存在MV2+(0.5mM)、Ru(bpy)32+(0.2mM)、和EDTA(200mM),pH值為5.0的條件下，照射Pt-Hsp(0.51^M)，產(chǎn)生的氫氣量通過(guò)氣相色譜分析來(lái)量化。基于每個(gè)籠進(jìn)行計(jì)算,在載荷系數(shù)為lOOOPt/Hsp時(shí)，初始的氫氣生成速率為4.47x103H2/s(394H2/s)，在載荷系數(shù)為250時(shí)為7.63x102H2/s(405H2/s)(圖6)。這些速率和已經(jīng)報(bào)道的氫化酶的速率大致相當(dāng)(4x103-9x103IV蛋白質(zhì)分子)(Adams"a/.1990)。在Pt載荷最低(150Pt/Hsp)的情況下沒(méi)有檢測(cè)到制氫活性。這與之前關(guān)于Pt的活性依賴(lài)于其大小的報(bào)道(GreenbaumWa/.1988)是一致的。這也和我們?cè)谶@些樣品中無(wú)法通過(guò)TEM檢測(cè)到離散的Pt顆粒是一致的，說(shuō)明合成的Pt顆粒低于活性要求的閾限值。當(dāng)氫氣生成速率基于每Pt計(jì)算時(shí)，它們和其它報(bào)道的Pt納米顆粒相比非常好。含有1000Pt/籠的Pt-Hsp的初始速率為268H2/Pt/分鐘，這明顯優(yōu)于可比的文獻(xiàn)報(bào)道值:20H2/Pt/分鐘(Brugger"a/.1981)、16H2/Pt/分鐘(Kellera/.1980)和6.5H2/Pt/分鐘(Song"a/.2004)。此夕卜，Pt-Hsp的初始制氫速率大于在不含蛋白質(zhì)的可控反應(yīng)中的Pt顆粒的制氫速率約20倍。耦合光化學(xué)反應(yīng)制氫的長(zhǎng)期穩(wěn)定性尚未得到優(yōu)化，并且觀察到在前20分鐘后該反應(yīng)顯著變慢(圖10)。氫氣產(chǎn)量的減少可能主要是由于Pt催化氫化引起的光催化劑Ru(bpy),和電子介質(zhì)(MV2,的降解(Keller^a/.1980)。與氫化酶不同，人造的Pt-Hsp體系對(duì)02不敏感，且H2的產(chǎn)生不受CO的顯著抑制，但會(huì)因?yàn)榱虼级卸?。Pt-Hsp催化反應(yīng)由還原態(tài)的紫羅堿(MV+)驅(qū)動(dòng)。MV+可由上文所述的光還原或者用瓊斯還原器(Jonesredactor)(Harris"a/.1999)(鋅汞齊)制得，其得到的制&速率低于耦合光還原反應(yīng)約40%。此外，通過(guò)原位還原和亞甲基藍(lán)漂白觀察到Pt-Hsp能夠催化逆向反應(yīng)(H2—2H"+2e-)(Seeffeldt"a/.1989)。對(duì)該人造體系的實(shí)用前景重要的是，Pt-Hsp結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，可以加熱至85'C而不會(huì)發(fā)生復(fù)合物的沉淀或者催化活性的損失。本發(fā)明使用了定形良好的熱穩(wěn)定蛋白籠結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生人造氫化酶，它具有很多生物催化劑的一般特點(diǎn)。在空間上有選擇性地引入小金屬團(tuán)簇到Hsp的籠狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部，作為還原H"形成H2的活性中心。這些人工酶的具體活性可以和己知的氫化酶相媲美，且明顯優(yōu)于之前描述的Pt納米顆粒。Hsp的蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)能夠保持小團(tuán)簇的完整，防止聚集，并控制進(jìn)入這些"活性中心"的通道。Pt-Hsp復(fù)合物在高達(dá)85°C仍然穩(wěn)定，體現(xiàn)了使用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)施功能納米材料的用途。給出上述詳細(xì)描述是為了清晰清楚，不應(yīng)將其理解為不必要的限制，因?yàn)閷?duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，改進(jìn)是顯而易見(jiàn)的。盡管已經(jīng)結(jié)合具體其實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作了描述，但應(yīng)當(dāng)理解，還可以有進(jìn)一步的改進(jìn)，并且本申請(qǐng)意在涵蓋任何出自于本發(fā)明原理的變化、用途、或?qū)Ρ景l(fā)明的適應(yīng)性修改，包括對(duì)本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容在公知或本領(lǐng)域的習(xí)慣做法限度內(nèi)的偏離，并且適用于上文提出的或附錄的權(quán)利要求的范圍的必要特征。出于公開(kāi)和描述本發(fā)明具體方面的目的，此處引用的所有出版物均以引用的方式納入本申請(qǐng)。參考文獻(xiàn)Adams,M.W.祝oc/z/附.5—".爿cto1990，7歸，115-145.Alien,M.;Willits，D.;Mosolf，J.;Young，M.;Douglas,T.廁.Mater.2002,",1562-1565.Allen,M.;Willits,D.;Young，M.;Douglas,T./"org.C%em.2003，426300-6305.Armor,J.N.Cato/.2005，131-135.Avnir,D,;Braun,S.;Lev,O.;Ottolenghi，M.CTzew.Afofer.1994，(5，1605-1615.Byth，D.J,;Ayott，J.W.;Richardson,D.J.;Russell，D.A.」加/j^1995,風(fēng)2725-2730.Brinker,C.J.;vanSwol,F,;Shelnutt，J.A.J」m.C/zew.Soc.2004,風(fēng)635-645.Brugger,P.A.;Guendet,P.;Gmtzd，M./爿肌Oiem.Soc.1981,2923-2927.Ca腿ack,R,淑,1999,397，214-5.Chen,C.W.;Tano,D.;Akashi，M./Co〃o/d/"f—5W.2000，"5,349-358.Chen,D.H.;Yeh，J.1;Huang,T,C.//"to/ace1999,275,159-166.Chum,H.L.;Overend，R.P.Fwe/rec/2w0/.2001,77，187-195.Douglas,T.;Young，M.淑,1998，風(fēng)152-155.Eklund，S.E.;Cliffel，D.E.Za"g麵'r2004,20,6012-6018.Flenniken,M.L.;Willits，D.A.;B飄ffeld，S.;Young,M.J,;Douglas,T.TVflwoZe".2003，3，1573-1576,Gill,I.Mafer2001,",3404-3421Gomez,S.;Erades,L.;Philippot,K.;Chaudret,B.;Colliere,V.;Balmes，O.;Bovin，J.O.CTem.Commw".2001，1474-1475.Greenbaum，E./尸/z^.C/zem.1988，W，4571-4574.Happe，R.P.;Roseboom，W.;Pierik，A.J.;Albracht，S.R;Bagley，K.A.胸,1997，126.Harris,D.，gwaw^tof/veCTzewz/ca/Jwa/ys/s.5thed.;W.H.FreemanandCo.:NewYork,1999;p425.Jiang,D.L.;Choi,C.K.;Honda,K.;Li，W.S.;Yuzawa，T.;Aida，T.26/^肌C72ew.5bc.2004，12084-12089.Keller,P.;Momdpour,A.J爿附.CTze附.Soc.1980，702，7193-7196.Kim,K.K.;Kim,R.;Kim,S.H.iVafwre1998，3何，595-599.Klem，M.;Willits，D.;Solis,D.;Belcher,A.;Young,M.;Douglas,T.Mate/:2005，"，1489-1494.Lan，E.H.;Dave,B.C;Fukuto,J.M.;Dunn,B.;Zink，J.I;Valentine,J.S.J她欣Cta.1999，9,45-53.McMillan,R.A,;Paavola,C.D.;Howard,J.;Chan,S.L.;Zaluzec，N.J,;Trent,J.D.A^.^W"ateK2002,7,247-252.Narayanan,R.;El-Sayed,M.A.腸o丄e".2004，《1343-1348.Nicolet,Y.;Lemon,B.J.;Fontecilla-Camps,丄C;Peters,J.W.7>ew(iy5/oc/zew.2000,25，138-43.Peters,J.W.C匿腺.1999,9，670-676.Peters,J.W.;Lanzilotta,W.N.;Lemon，B.J.;Seefeldt,LC.5Wewce1998，取1842-1843.Pierik，A.J.;Hulstein,M.;Hagen，W.R.;Albracht,S.R五wk/1998,572-8.Przybyla,A.E.;Robbins,J.;Menon,N.;Peck,H.D.，*F皿SM/crai)/o/.1992,S，109-35.Seefeldt,L.C;Arp，D.J.所oc;^附&f771989,2S，1588-1596.Smith,K.;Silvernail，N.J.;Rodgers，K.R.;Elgren，T.E.;Castro,M.;Parker,R,M./爿w.C/ze肌5bc.2002，W《4247-4252.Song，Y.J.;Yang，Y;Medforth，CJ.;Pereira,E.;Singh,A.K.;Xu，H.F.;Jiang,Y,B.;Spiegel,R.J.!Tram1/7.戶(hù)mtD..7hmsp.五"F/ra".2004,9,357-371.Teranishi,T.;Kurita，R.;Miyake，M.//"org.(9/^awomeA戶(hù)o/y附.2000,M，145-156.Tseng,P.;Lee，J,;Friley,P.2005,30,2703-2720.Tu,W.X.;Lin，H.RCTzem.M3teA\2000,72，564-567.Usselman,R.J.;Klem，M.;Alien,M.;Walter,E.D.;Gilmore,K.;Douglas,T.;Young,M.;Idzerda，Y;Singel，D.J./2005,97.Varfolomeyev,S.D.;Aliev，T.K.;Efremenko,E.N.尸,jpp/.CA亂2004，7(5,1781-1798.Vignais，P.M.;Billoud，B.;Meyer,J.M/c油o/.AeK2001,25,455-501.Volbeda,A.;Charon，M.H,;Piras，C;Hatchikian,E.C;Frey，M.;Fontecilla-Camps，J.C.淑,1995，373，580-7.Winter,C.J.Int.丄T^ra爐2005，30，681-685.Wunschiers,R.;Lindblad,P.Int.J./^ragew2002,27,1131-1140.Zink,J丄；Valentine,J.S.;Dunn，B.7Vew./C/zem.1994,/S,1109-1115.Zhao,S.Y.;Chen,S.H.;Wang,S.Y.;Li,D.G.;Ma,H.Y.丄a"gmwz2002，3315-3318.權(quán)利要求1.用于光催化制H2的復(fù)合材料，其包含1)聚合物凝膠；2)光催化劑；和3)基于蛋白質(zhì)的H2催化劑。2.權(quán)利要求l的復(fù)合材料，其中所述H2催化劑是氫化酶。3.權(quán)利要求2的復(fù)合材料，其中所述氫化酶封裝于聚合物凝膠中。4.權(quán)利要求3的復(fù)合材料，其中所述凝膠是多孔的。5.權(quán)利要求4的復(fù)合材料，其中所述凝膠是溶膠-凝膠。6.權(quán)利要求1的復(fù)合材料，其中所述H2催化劑是氫化酶模擬制口叩o7.權(quán)利要求6的復(fù)合材料，其中所述氫化酶模擬制品是納米顆粒。8.權(quán)利要求7的復(fù)合材料，其中所述納米顆粒在形式上是具有殼和核的蛋白質(zhì)籠。9.權(quán)利要求8的復(fù)合材料，其中所述殼包含蛋白質(zhì)。10.權(quán)利要求9的復(fù)合材料，其中所述蛋白質(zhì)是24亞基蛋白。11.權(quán)利要求10的復(fù)合材料，其中所述蛋白質(zhì)是小熱休克蛋白(HSp)。12.權(quán)利要求8的復(fù)合材料，其中所述核包含金屬。13.權(quán)利要求12的復(fù)合材料，其中所述金屬選自鉑、鎳、鐵和鈷。14.權(quán)利要求13的復(fù)合材料，其中所述金屬是鉑。15.權(quán)利要求l的復(fù)合材料，其還包含氧化還原介質(zhì)。16.權(quán)利要求15的復(fù)合材料，其中所述氧化還原介質(zhì)包含聚紫羅堿。17.權(quán)利要求16的復(fù)合材料，其還包含除氧劑。18.權(quán)利要求17的復(fù)合材料，其中所述除氧劑包含Cu(O)。19.權(quán)利要求1的復(fù)合材料，其中所述光催化劑制成納米顆粒。20.權(quán)利要求1或19的復(fù)合材料，其中所述光催化劑封裝于蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)中。21.權(quán)利要求l的復(fù)合材料，其中所述氫化酶來(lái)自巴氏固氮梭狀芽孢桿菌(C7os^7Vf/M附/osfewr/(3wwmj、丄apro6acter附0(5fe^oga/c;p/H7ws、桃紅莢硫菌0//oca戸aw化o/en'cz'"^或它們的組合。22.權(quán)利要求17的復(fù)合材料，其中該材料包含1)還包含光催化劑和氫化酶的內(nèi)層，和2)還包含光催化劑、氧化還原介質(zhì)和除氧劑的外層。23.制H2方法，其包含使電子給體與包含l)聚合物凝膠、2)光催化劑和3)基于蛋白質(zhì)的H2催化劑的復(fù)合材料發(fā)生反應(yīng)。24.權(quán)利要求23的方法，其中所述H2催化劑是氫化酶。25.權(quán)利要求24的方法，其中所述氫化酶來(lái)自巴氏固氮梭狀芽孢桿菌、La;ra6ac/^mocfestoga/c^/H7us、桃紅莢硫菌或它們的組合。26.權(quán)利要求24的方法，其中所述氫化酶封裝于聚合物凝膠中。27.權(quán)利要求26的方法，其中所述凝膠是多孔的。28.權(quán)利要求27的方法，其中所述凝膠是溶膠-凝膠。29.權(quán)利要求23的方法，其中所述H2催化劑是氫化酶模擬制品。30.權(quán)利要求29的方法，其中所述氫化酶模擬制品是納米顆粒。31.權(quán)利要求30的方法，其中所述納米顆粒在形式上是具有殼和核的蛋白質(zhì)籠。32.權(quán)利要求31的方法，其中所述殼包含蛋白質(zhì)。33.權(quán)利要求32的方法，其中所述蛋白質(zhì)是24亞基蛋白。34.權(quán)利要求33的方法，其中所述蛋白質(zhì)是小熱休克蛋白(HSp)。35.權(quán)利要求31的方法，其中所述核包含金屬。36.權(quán)利要求35的方法，其中所述金屬選自鉑、鎳、鐵和鈷。37.權(quán)利要求36的方法，其中所述金屬是鉑。38.權(quán)利要求23的方法，其中所述光催化劑制成納米顆粒。39.權(quán)利要求23或38的方法，其中所述光催化劑封裝于蛋白質(zhì)籠結(jié)構(gòu)中。40.權(quán)利要求23的方法，其中所述電子給體選自醋酸、檸檬酸、酒石酸、乙醇、EDTA、羥胺及其混合物。41.權(quán)利要求23的方法，其中所述電子給體選自亞硫酸鹽、硫代硫酸鹽和連二亞硫酸鹽。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了用于光催化制H₂的復(fù)合材料，其包含1)聚合物凝膠；2)光催化劑；和3)基于蛋白質(zhì)的H₂催化劑。本發(fā)明還涉及制氫方法，其包含使電子給體與包含1)聚合物凝膠，2)光催化劑，和3)基于蛋白質(zhì)的H₂催化劑的復(fù)合材料發(fā)生反應(yīng)。文檔編號(hào)C12P3/00GK101512003SQ200680021591公開(kāi)日2009年8月19日申請(qǐng)日期2006年5月16日優(yōu)先權(quán)日2005年5月16日發(fā)明者J·W·彼得斯,M·J·揚(yáng),T·E·埃爾格倫,T·道格拉斯申請(qǐng)人:蒙大拿州立大學(xué)