基于酪氨酸衍生的对称性i-黑色素生物合成及其在有机薄膜晶体管中的半导体特性研究

本研究针对传统石化基半导体材料的环境污染问题，创新性地通过MelC和CYP102G4酶催化反应，从靛蓝染料生物合成途径获得新型对称性i-黑色素。该材料经FT-IR、SEM和DSC表征显示独特结构，DFT计算与UV-Vis/PL光谱证实其具有2.84 eV光学带隙，OTFT器件测试展现双极性导电特性（p型迁移率8.69×10-3 cm2 V-1 s-1 ），为可降解生物电子器件提供了环保材料解决方案。

　　

随着全球对碳中和目标的追求，传统石化基半导体材料的环境污染问题日益凸显。有机半导体虽在OLED等领域广泛应用，但开发兼具高性能和生物可降解特性的替代材料仍是重大挑战。黑色素作为天然生物色素具有独特物理化学性质，但其随机聚合特性导致结构不可控，限制了在电子器件中的应用。

韩国研究人员在《Materials Today Advances》发表的研究中，创新性地结合靛蓝染料对称二聚体结构与黑色素垂直聚合特性，通过MelC（酪氨酸酶）和CYP102G4（细胞色素P450单加氧酶）级联催化，成功合成新型i-黑色素。研究采用全细胞生物转化技术，利用工程化大肠杆菌同时表达两种酶，以L-酪氨酸为底物合成5,5′,6,6′-二羟基靛蓝单体，经细胞内随机聚合获得产物。通过FT-IR解析化学键特征，SEM观察表面形貌，DSC评估热稳定性；结合DFT计算能带结构，UV-Vis/PL光谱测定光学带隙；最终制备OTFT器件进行I-V/C-V电学性能测试。

2.1 合成途径
在工程化大肠杆菌中共表达cyp102G4和melC基因，通过CYP102G4在DHI单体C3位引入羟基，经MelC催化氧化形成THI/TQI中间体，实现对称性聚合。

2.2 结构特征
FT-IR显示1700 cm^-1
处C=O特征峰及3294 cm^-1
羟基振动，SEM观察到紧密排列的无孔球形结构，与松散多孔的传统黑色素形成对比。

2.3 物理性能
DSC检测到117.74°C吸热峰（水分挥发），300°C内保持稳定；提出的聚合模型显示THI/TQI单体可通过氢键形成有序排列。

2.5 能带结构
DFT计算显示单体带隙2.59 eV，实验测得薄膜光学带隙3.23 eV（Tauc plot），PL光谱发射峰437 nm对应2.84 eV带隙，证实半导体特性。

2.7 电学性能
OTFT器件展现双极性：Au电极p型器件阈值电压4.3 V，迁移率8.69×10^-3
cm²
V^-1
s^-1
；Al电极n型器件迁移率2.0×10^-3
cm²
V^-1
s^-1
。C-V曲线无滞回现象证实材料纯净度。

该研究首次实现靛蓝对称结构与黑色素聚合特性的有机结合，创制出带隙可调的生物半导体材料。i-黑色素在溶液态（DMSO中电导率6.21×10^-3
S/cm）和薄膜态均表现稳定导电性，其ON/OFF比达10⁶
，虽存在电子/空穴陷阱导致的滞回现象，但为开发可植入式生物电子器件提供了新思路。通过生物合成路径调控材料结构的策略，为绿色电子材料设计开辟了新方向，对实现碳中和目标下的可持续电子产业发展具有重要意义。