基于活体光合细菌运行的生物混合光伏器件

《Biosensors and Bioelectronics》：Bio-hybrid Photovoltaic Devices Operated on Living Photosynthetic Bacteria

光生伏特阵列利用紫色非硫细菌及其无色素体突变体构建生物混合电极，发现突变体在特定光照条件下光生电压显著更高。通过电化学阻抗谱和原子力显微镜分析，证实了质子梯度与光电压的关联性，并成功将该技术集成至光控有机晶体管和光电池中，展示了可持续能源生产的潜力。

　　在当前全球环境问题日益严峻的背景下，寻找可持续的能源解决方案成为科学界和工业界的重要任务。太阳能作为一种清洁、可再生的能源形式，具有巨大的潜力，尤其是在应对日益增长的能源需求方面。然而，传统的太阳能电池虽然在效率和可扩展性方面取得了显著进展，但其制造成本较高，且在某些环境下可能面临稳定性问题。因此，科学家们正在探索一种新的方法，即利用生物与有机材料结合的生物-有机混合器件，以实现更环保和经济的能源生产。

在这一领域，紫色非硫细菌（如* Rhodobacter sphaeroides*）因其独特的光合作用机制而受到关注。这类细菌能够在不依赖氧气的情况下，通过吸收光能并将其转化为化学能，从而为能量转换提供一种天然的途径。特别是，它们对近红外（NIR）光的吸收能力，使得它们成为开发新型太阳能采集和转换技术的理想候选者。通过将这些细菌与电子器件集成，研究人员能够探索一种全新的方法，即利用生物系统本身来产生和调控光电信号。

在本研究中，科学家们将野生型* R. sphaeroides*细菌及其缺乏类胡萝卜素的突变株R26整合进一种双电极架构中，以在光照下产生正向光电压。实验结果显示，R26突变株的光电压幅度几乎是野生型细胞的三倍。这一发现表明，类胡萝卜素可能在光电压的产生过程中起到抑制作用，而去除类胡萝卜素反而提高了光能转化为电能的效率。此外，研究团队还探索了将这些细菌集成到一种有机晶体管中，以实现光调制的电子电流输出，以及在直射阳光下工作的生物光能电池，证明了生物-有机混合光电器件在环境友好和经济性方面的优势。

在实验方法方面，研究团队首先通过特定的培养条件，获得了* R. sphaeroides*的野生型和R26突变株，并通过紫外-可见-近红外吸收光谱分析其光谱特性。随后，利用原子力显微镜（AFM）和电化学阻抗谱（EIS）等技术，对细菌在电极上的附着状态和光电器件的性能进行了评估。通过这些方法，研究人员能够观察到细菌在电极表面的附着情况，并分析其对光电压生成的影响。

实验结果表明，不同光照条件下的光电压响应存在显著差异。在慢速（sNIR）和快速（fNIR）循环条件下，光电压的产生和衰减过程表现出不同的动力学特征。慢速循环条件下，光电压的生成和衰减遵循双指数趋势，而在快速循环条件下，光电压的生成过程更为简单，衰减则呈现出更复杂的双指数行为。这一现象可能与细菌细胞膜的电化学特性以及光照周期的调控有关。

研究团队还通过改变电解质的pH值，进一步评估了光电压的稳定性。结果显示，在不同pH值条件下，光电压的生成和维持表现出不同的行为。例如，在碱性条件下，光电压的生成效率提高，这可能与电解质中离子的分布和细菌细胞膜的电势变化有关。这种pH依赖性的现象为未来开发可调光电器件提供了新的思路。

在实际应用方面，研究团队展示了两种技术示范：一种是基于生物光能的电解液栅极有机晶体管（LEGOT），另一种是直接利用阳光照射的生物光能电池。LEGOT通过将细菌作为栅极电极，利用其光能响应特性来调控晶体管的电流输出。而生物光能电池则通过将两个不锈钢电极直接置于细菌悬浮液中，实现阳光下的光电压产生。这两种技术展示了生物-有机混合器件在实际应用中的潜力，特别是在不需要复杂的表面化学处理和蛋白质分离纯化的情况下，能够直接利用太阳能进行能量转换。

此外，研究还提出了一个关于光电压生成机制的假设，即光能驱动的质子流动可能与光电压的产生密切相关。类胡萝卜素的缺失导致了质子流动的增强，从而提高了光电压的生成效率。然而，这种增强的质子流动也可能会降低系统的长期稳定性。因此，研究团队建议在不同的应用场景中，根据所需的性能和稳定性，选择合适的细菌菌株。

总体而言，这项研究不仅揭示了生物-有机混合光电器件在能量转换方面的潜力，还为未来开发更高效、更环保的能源技术提供了理论支持和实验依据。通过深入理解细菌的光合作用机制及其与电子器件的相互作用，科学家们可以进一步优化这些生物-有机混合系统，使其在实际应用中发挥更大的作用。这一领域的研究不仅有助于推动绿色能源的发展，还可能为未来的生物技术应用开辟新的方向。