荧光蛋白固态发光太阳能聚光器

《Small》：Fluorescent Protein Solid-State Luminescent Solar Concentrators

将荧光蛋白（T-Sapphire）固溶于环氧树脂中，构建新型固态LSC，通过优化水分含量和树枝状聚合物稳定剂（TMPE-170），实现波长为508 nm的绿光发射，光量子产率达66%，并保持稳定性超过250天。固态LSC的η_opt为7.41%，较液态LSC提升32倍稳定性（8天 vs 6小时），光伏转换效率达0.75%。研究为可持续生物发光光伏技术提供新路径。

　　### 探索生物发光蛋白在太阳能采集中的应用

随着全球对可持续建筑和能源转型的重视，将太阳能采集技术与城市基础设施相结合成为一种重要的发展方向。传统的硅基光伏（Si-PV）面板虽然在能源转换效率上表现优异，但在实际集成过程中却面临一些关键问题，包括在遮挡或低光照条件下性能下降，以及缺乏美学设计上的灵活性。这些问题限制了它们在现代建筑设计中的广泛应用。因此，科学家们开始探索更高效的太阳能采集方案，其中“荧光太阳能采集器”（Luminescent Solar Concentrators, LSCs）作为一种替代技术引起了广泛关注。

LSCs 通过在聚合物基质中嵌入发光材料，能够收集并转化太阳辐射，再将其引导至边缘的太阳能电池上，从而提高整体系统的光电转换效率。然而，目前主流的 LSCs 依赖于稀有金属或有毒的发光材料，如稀土离子、金属配合物、量子点等，这些材料不仅成本高昂，还可能对环境造成潜在危害。为了克服这些问题，研究人员尝试将生物发光材料，如荧光蛋白（Fluorescent Proteins, FPs），引入 LSCs 中，以期实现更环保、更高效的太阳能采集系统。

在众多 FP 中，T-Sapphire 被认为是一种典型的发光蛋白，其在 PBS 缓冲液中具有显著的发光效率（约 65%）和较长的激发态寿命（约 3.36 ns）。但这些特性在液态 LSCs 中往往难以长期保持，因为液态环境容易导致材料泄漏和快速光降解，从而影响系统的稳定性。因此，如何将 FP 稳定地集成到固态材料中，成为一个亟待解决的问题。

### 从液态到固态：提高 FP 基 LSCs 的稳定性

本研究提出了一种基于荧光蛋白的固态 LSCs 技术，通过将 T-Sapphire 蛋白嵌入环氧树脂中，实现更稳定的光发射和更长的使用寿命。环氧树脂作为一种广泛应用的材料，具有较高的透光率（在 400-800 nm 波段高达 90%）和适中的折射率（1.5-1.56），比常用的 PMMA（1.49）更具优势。此外，环氧树脂可以在常温下固化，便于大规模生产和应用。

为了确保 FP 在固态材料中的稳定性，研究团队对水含量和聚合物稳定剂的种类及用量进行了系统优化。实验发现，当水含量控制在 50 μL 以内时，可以避免因溶液过于浓稠而导致的透光率下降。同时，选择合适的稳定剂，如三甲基丙烷乙氧基化物（TMPE）的不同分子量版本，有助于维持 FP 的结构完整性，防止光降解和化学变化。在这些优化条件下，T-Sapphire-epoxy 材料在存储 250 天后仍能保持约 70% 的初始发光量子产率（?），而传统的液态 LSCs 通常只能维持 6 小时。

这种显著的稳定性提升意味着 FP 基固态 LSCs 可以在实际环境中长期运行，从而更好地满足城市建筑中对太阳能采集系统的需求。相比之下，液态 LSCs 在使用过程中容易出现泄漏，且其光稳定性较差，限制了其在实际应用中的可靠性。因此，将 FP 集成到固态材料中，不仅提高了系统的性能，还增强了其在现实环境中的适用性。

### 提升光电转换效率：从基础材料到优化系统

为了进一步评估 FP 基固态 LSCs 的性能，研究团队设计了一系列实验，测试了不同条件下系统的光电转换效率（η_opt）和光子转换效率（PCE）。通过将 T-Sapphire 嵌入环氧树脂中，并与 Si-PV 面板结合，研究发现，在无反射涂层的情况下，最佳的 FP-epoxy 材料可以实现 η_opt 为 4.33%，而在使用反射涂层的情况下，这一效率进一步提升至 7.41%。相比之下，传统的液态 LSCs 在相同条件下只能达到约 6.88% 的效率，但其稳定性远低于固态材料。

这些结果表明，FP 基固态 LSCs 不仅在性能上具有竞争力，还在稳定性方面表现出明显优势。通过优化 FP 的浓度，研究团队还发现，当 T-Sapphire 的浓度增加到 4 mg 时，系统的光电转换效率和光子转换效率分别达到了 4.33% 和 0.41%，相比液态系统提升了 32 倍的稳定性。此外，当结合反射涂层后，这些指标进一步提升，达到 7.41% 和 0.75% 的水平，显示出其在实际应用中的巨大潜力。

### 实验方法与材料特性分析

为了确保 FP 基固态 LSCs 的性能，研究团队采用了多种实验方法进行材料的制备和性能测试。首先，通过将 T-Sapphire 蛋白与 TMPE 稳定剂按照 1:1000 的摩尔比例混合，并加入适量的 PBS 缓冲液，制备了 T-Sapphire-epoxy 材料。随后，通过紫外-可见光谱仪测量材料的透光率，确认其在可见光波段的高透过性。同时，使用光导测试设备评估材料的光引导性能，确保其能够有效地将光能量传递至边缘的太阳能电池。

在测试过程中，研究团队还对 FP 的光物理特性进行了深入分析，包括其激发态寿命（τ）和发光效率（?）。通过对比液态和固态条件下的数据，他们发现，T-Sapphire 在固态环氧树脂中能够保持更长的激发态寿命，并且其发光效率在 250 天内仅略有下降，这表明固态环境对 FP 的保护效果优于液态。此外，研究团队还测试了不同浓度的 T-Sapphire 对系统性能的影响，发现随着浓度的增加，系统的光电转换效率和光子转换效率也相应提升。

### 生物发光材料的未来前景

这项研究为生物发光材料在太阳能采集技术中的应用提供了新的思路。传统的 LSCs 依赖于有毒或稀有材料，而 FP 基固态 LSCs 通过使用天然的发光蛋白，不仅降低了对环境的影响，还提高了系统的可持续性。此外，固态材料的稳定性显著优于液态系统，使得 FP 基 LSCs 在实际应用中更具可行性。

FP 基固态 LSCs 的成功开发，标志着太阳能采集技术向“生物化”迈出了重要一步。未来，随着材料科学和生物技术的进一步发展，FP 可能成为一种更加环保、高效和稳定的太阳能采集材料。此外，这项技术也为其他生物发光材料的应用提供了参考，例如绿色荧光蛋白（eGFP）和 mScarlett 等。这些材料在不同的应用场景中可能具有各自的优势，因此值得进一步研究和开发。

### 总结与展望

综上所述，这项研究展示了将荧光蛋白集成到固态材料中，以构建高效、稳定的 LSCs 的可行性。通过优化水含量和稳定剂的使用，研究团队成功地将 T-Sapphire 的发光效率和稳定性提升到了新的水平。这些成果不仅为可持续能源技术提供了新的解决方案，也为未来的生物材料在能源领域的应用奠定了基础。

未来的研究可以进一步探索其他类型的生物发光材料在 LSCs 中的应用，以及如何通过改进材料结构和表面处理技术，进一步提高其稳定性和效率。此外，研究团队还计划开发更复杂的 LSCs 架构，以适应不同的建筑需求和环境条件。随着这些技术的不断进步，FP 基 LSCs 有望成为未来绿色建筑和可持续能源系统的重要组成部分。