光電裝置及其制造方法

專利名稱：：光電裝置及其制造方法
技術領域：
：和背景本發明涉及光催化單元，并且更具體地說，涉及用這些單元制造的固相載體。本發明也涉及包括光催化單元的光電裝置及其制造方法。納米科學是小顆粒材料科學，是現代技術中最重要的研究前沿之一。這些小顆粒由于能夠構建屬性明確的材料和結構，因此，它們從根本上受到關注。隨著精確控制材料屬性的能力的出現，在諸如微電子和納米電子學、納米流體、涂料和油漆以及生物技術等領域已顯示或提出技術和商業發展、納米顆粒應用的新機會。可以明確的是通過增大裝置元件的組裝密度，將實現微電子、磁記錄裝置和化學傳感器的將來發展。傳統上，顯微裝置從更大的物體形成，但隨著這些產品變得越來越小，低于微米級別，此工藝變得越來越困難。因此，可理解的是要采用相反的方案，基本上，主要經納米尺寸的物體從分子級向上構建顯微裝置。太陽能電池或光生伏打電池(PVC)是在其中將諸如太陽光等入射光能轉換為電能的光電裝置。由于存在石油成本的增加，污染對健康和環境的不利影響及石油儲備將來的耗盡可能性，因此，PVC用作可再生能量的替代能源變得重要起來。當前技術使用硅基或其它類型的半導體PVC。PVC在商業上已經可提供，并且得到最廣泛的使用，平均能量轉換效率為13%。在研究和開發的有晶體和薄層硅、GaAs及多結裝置，其中的一些可實現高達30%的效率。一些高效率PVC配有聚光鏡以降低大小并因此降低PVC的成本。每成本比率的效率高的最佳PVC電池的結構仍在實現中。為此，除Si和GaAs外，對各種類型的光活性材料一直在進行研究。對諸如CuInSe2、CdTe/Se等幾種無機材料、有機和染料合成分子及聚合物膜均進行研究。多年以來，葉綠素和葉綠素衍生物已成功用作PVC中的增感染料[Radziemska,E.ProgressinEnergyandCombustionScience2003,29,407-424]。這些材料也對構建發光裝置有用。按照慣例，這些類型的太陽能電池是通過在能透光電極與另外的電極之間夾入半導體p-n結而制造。在光子進入p-n結時，在適當的偏置電壓下，發生電子空穴分離，并且生成光電流。當前已知的技術使用硅基或其它類型的PVC。然而，此類裝置成本高，并且其效率遠遠不能令人滿意。例如，商業可用的硅PVC已知具有13%的平均能量轉換效率。預期當前在研究和開發的晶體和薄層硅、GaAs及多結裝置將對硅而言達到24%的效率，對GaAs而言達到34%的效率。然而，這些裝置甚至比商業硅PVC更昂貴。為降低成本，裝置的大小和厚重方面進行了折衷。例如，包含聚光鏡以將太陽光聚集在光生伏打電池小區域上的光電系統在本領域已為人所熟知。同樣為人所熟知的是聚合型和染料型PVC。然而，此技術尚未成熟，無法提供高能量轉換效率。聚合型和染料型PVC已報道能提供5%或更低的能量轉換效率。負責光能向化學能的光合轉化的色素-蛋白質復合物可用作多種基于光線的裝置中的電子元件。盡管分子電路的制作目前還在常規的圖案形成(patteming)技術如電子束光刻術的分辨能力之外，但以亞納米精度布置分子在自然界中卻是普通的事情，且對于生物復合物如光合作用復合物的運轉來說是至關重要的。綠色植物、藍細菌和光合作用細菌能通過分子電子復合物這種包藏在它們的細胞膜中的反應中心(reactioncenter)來捕捉和利用太陽光。在產氧植物和藍細菌中，光子捕捉和光能向化學能的轉化發生在稱為類嚢體的特化膜中。類嚢體在高等植物中位于葉綠體中，在藍細菌中則由細胞質膜的折疊所構成。類嚢體由堆積的膜盤(稱為基粒)和非堆積的膜盤(稱為基質)所組成。類嚢體膜含有兩種關鍵的光合作用成分即光合系統I和光合系統II，分別標示為PSI和PSII。光合作用要求psn和psi依次工作，用水作為電子來源和用C02作為終末電子受體。PSi是跨膜多亞單位蛋白質-葉綠素復合物，能介導從質體藍素或細胞色素(:553向鐵氧化還原蛋白的矢量光誘導電子轉移。納米大小的尺寸、大約58%的能量產率和幾乎等于1的量子效率[K.Brettel，Biochim,Biophys.Acta1997，1318322-373]使得這個反應中心成為有希望的元件，用于分子納米電子學的應用中。細長聚球藻(Synechococuselongatus)和植物葉綠體的PSI的晶體結構已分別被解析到2.5A于4.4A(2.5Aat4,4A)[P.Jordan,etal.,Nature2001,411909-917;A.BenShem,etal.,Nature2003,426630-635]。在藍細菌和植物中，該復合物由12個多肽組成。一些多肽結合96個捕光葉綠素和22個(3類胡羅卜素分子。電子傳遞鏈分別含有P700、AQ、A!、Fx、代表葉綠素a二聚體的fa和fb、單聚葉綠素a、兩個葉綠醌和三個[4Fe-4S]鐵硫中心。反應中心核心復合物由含有第一電子供體P700的異型二聚的PsaA和PsaB亞單位構成，P700會進行光誘導的電荷分離并將電子轉移通過相繼的載體Ao、A!和Fx。最終受體Fa和Fs位于另一亞單位PsaC上。第一供體P700的氧化還原電勢是+0.43V，最終受體FB的氧化還原電勢是-0.53V,從而產生出-1.0V的氧化還原電勢差。電荷分離跨越蛋白質高度的約5nm，這個距離代表第一供體(P700)和最終受體(FB)之間的中心到中心距離。蛋白質復合物高9nm，直徑對三聚體來說是21nm，對單體來說是15nm。人們知道，為了將PSI反應中心結合到分子裝置中，有必要將PSI反應中心固定化在基材上而又不能使它們變性。在較早的研究中，已小心將植物PSI[I.Lee,etal,J.Phys.Chem.B2000，1042439-2443;R.Das,NanoLetters2004，41079-1083]和細菌反應中心[C.Nakamuraetal.，AppliedBiochemistryandBiotechnology2000,84-6401-408;S.A.Trammell,etal.,Biosensors&Bioelect頭ics2004，191649-1655]非共價連接到固體表面，以避免自組裝的單層的失活。因此，通過加入六聚組氨酸尾(6histidinetail)對細菌反應中心[S.A.Trammell，etal.,Biosensors&Bioelectronics2004,191649-1655]和植物PSI[Das，NanoLetters2004，41079-1083]進行遺傳修飾，能使它們非共價鍵合到聚合物包覆的金屬表面。組氨酸連接的細菌反應中心經證實在電化學電池的溶液中能產生光電流。組氨酸標記的PSI經證實是定向的，但沒有報道說能產生光電流或光電勢。另外，Das(見上)所教導的組氨酸標記的PSI需要用肽表面活性劑來進行穩定化，以便連接到固體表面。Leeetal.,[J.Phys.Chem.B2000]教導了用有機分子包覆金屬表面和將PSI非共價吸附到有機層。在這種情況中，蛋白質可呈幾種方向。Leeetal.,[Biosensors&Bioelectronics,1996,11-4,375-387]教導了將鉑沉積在光合作用膜的表面上，并認為這一沉淀與PSI的受體一側形成了直接的電接觸，因為它能催化氫析出。另外，還證實分離的PSI反應中心可進行鍍鉑，因為在鍍鉑之后它在光線中產生了氫氣。但是，這些方法沒有一個教導功能PSI反應中心與固體表面的共價連接，因此反應中心當然不會定向。不是定向的PSI反應中心會互相抵消，這妨礙了PSI固定化的裝置用于光電裝置如太陽能電池或邏輯門中。因此，對于能夠以定向方式鍵合到固體表面從而使得可以制作出沒有上述局限的光電裝置的活性PSI反應中心，存在著公認的需求，合成出這樣的反應中心會是十分有利的。發明概述本發明的一個方面提供包含有光合生物的光催化單元的多肽的氨基酸序列的經修飾分離多肽，該氨基酸序列能夠介導該光催化單元與固體表面的共價連接并在該光催化單元連接到固體表面時保持它的光催化活性。本發明的另一個方面提供多個包含有光合生物的光催化單元的多肽的氨基酸序列的經分離多肽，該氨基酸序列能夠介導該光催化單元與固體表面的共價連接并在該光催化單元連接到固體表面時保持它的光催化活性，所述多個經分離多肽能夠以相對于固體表面基本上同樣的方向定向。本發明的又另一個方面提供包含著經修飾多肽的分離的經修H:牟光催化單元，該經修飾多肽包含有光合生物的光催化單元的多肽的氨基酸序列，該氨基酸序列能夠介導該光催化單元與固體表面的共價連接并在該光催化單元連接到固體表面時保持它的光催化活性。本發明的還另一個方面提供包含經修飾光催化單元的膜制品，經修飾光催化單元包含著該包含有光合生物的光催化單元的多肽的氨基酸序列的經修飾多肽，該氨基酸序列能夠介導該光催化單元與固體表面的共價連接并在該光催化單元連接到固體表面時保持它的光催化活性。本發明的一個另外的方面提供編碼該包含有光合生物的光催化單元的多肽的氨基酸序列的經修飾多肽的經分離多核苷酸，該氨基l拼列能夠介導該光催化單元與固體表面的共價連接并在該光催化單元連接到固體表面時保持它的光催化活性。本發明的又一個另外的方面提供核酸構建物，其包含著編碼該包含有光合生物的光催化單元的多肽的氨基酸序列的經修飾多肽的多核香酸，該氨基酸序列能夠介導該光催化單元與固體表面的共價連接并在該光催化單元連接到固體表面時保持它的光催化活性。本發明的還一個另外的方面提供包含著經分離多核苷酸的細胞，經分離多核苷酸編碼該包含有光合生物的光催化單元的多肽的氨基酸序列的經修飾多肽，該氨基酸序列能夠介導該光催化單元與固體表面的共價連接并在該光催化單元連接到固體表面時保持它的光催化活性。本發明的一個此外的方面提供包含與多個經修飾光催化單元連接的固體表面的裝置，經修飾光催化單元包含著該包含有光合生物的光催化單元的多肽的氨基酸序列的經修飾多肽，該氨基酸序列能夠介導該光催化單元與固體表面的共價連接并在該光催化單元連接到固體表面時保持它的光催化活性。根據本發明還有的又一方面，提供了一種光電裝置，它包括在第一電極與第二電極之間插入的至少一層光活性納米顆粒，其中至少第一電極與第二電極之一能透光。根據本發明還有的又一方面，提供了一種包括本文中所述多個光電裝置的光電陣列。根據下述本發明優選實施例中的進一步特征，第二電極能透光，并且表征第二電極的功函數高于表征第一電極的功函數。根據所述優選實施例中還進一步特征，裝置還包括淀積在第一電極上并且其中具有包含光活性納米顆粒層的空腔的介電層，其中，在空腔基底顯露第一電極。根據所述優選實施例還進一步特征，裝置還包括承載第一電極和介電層的襯底。襯底上具有兩個或更多個電接觸部，每個接觸部與一個電才及電通信。根據所述優選實施例中還進一步特征，至少一些光電裝置共享第一電極。根據所述優選實施例中還進一步特征，至少一些光電裝置共享第二電極。根據所述優選實施例中還進一步特征，多個光電裝置包括具有多個電極的第一傳導層，每個電極用作第一電極；淀積在第一層上，并且其中形成有多個空腔的介電層，其中多個空腔的每個空腔位于第一層電極的上方，并且包括一層或多層光活性納米顆粒；以及淀積在空腔上方并具有多個電極的第二傳導層，每個電極用作第二電極。根據本發明還有的其它方面，提供了一種制造光電裝置的方法，包括共價連接光合生物的光催化單元到至少一個第一電極，由此在至少一個第一電極上提供光活性納米顆粒層，并且在該層光活性納米顆粒上淀積至少一個第二電極。根據所述優選實施例中還進一步特征，方法還包括在光活性納米顆粒層上連接至少一個另外的光活性納米顆粒層。根據下面所述本發明的優選實施例中的進一步特征，方法還包括在襯底上淀積至少一個第一電極。根據所述優選實施例中還進一步特征，方法還包括在至少一個第一電極上淀積介電層并在介電層中形成空腔以便顯露至少一個第一電極。根據所述優選實施例中還進一步特征，連接通過光誘導吸附實現。根據所述優選實施例中還進一步特征，第二電極的淀積包括濺射淀積。根據所述優選實施例中還進一步特征，第二電極的淀積包括間接汽化。根據所述優選實施例中還進一步特征，光活性納米顆粒包括共價連接到光合生物的光催化單元的導電固體表面。根據下文所述的本發明優選實施方案的進一步特征，光合生物是綠色植物。根據所述優選實施方案的還進一步特征，光合生物是藍細菌。根據所述優選實施方案的還進一步特征，光催化單元是PSI。根據所述優選實施方案的還進一步特征，光催化單元是集胞藻(Synechosystissp.)PCC6803光催化單元。根據所述優選實施方案的還進一步特征，光催化單元的多肽的氨基酸序列包含至少一個置換突變。根據所述優選實施方案的還進一步特征，置換突變在光催化單元的月莫夕卜環(extra-membraneloop)上。根據所述優選實施方案的還進一步特征，多肽的氨基酸序列是PsaB。根據所述優選實施方案的還進一步特征，多肽的氨基酸序列是Psac。才艮據所述優選實施方案的還進一步特征，psaB在至少一個由坐標D235C、S246C、D479C、S499C、S599C、Y634C界定的位置中包含置換突變。根據所述優選實施方案的還進一步特征，psaC在至少一個由坐標W31C界定的位置中包含置換突變。根據所述優選實施方案的還進一步特征，該至少一個置換突變是半胱氨酸。根據所述優選實施方案的還進一步特征，氨基酸序列為SEQIDNO:20、21、22、23、24、25、26、27、28和29所示。根據所述優選實施方案的還進一步特征，固體表面是導電材料。根據所述優選實施方案的還進一步特征，導電材料是過渡金屬。根據所述優選實施方案的還進一步特征，過渡金屬選自包括銀、金、銅、4白、4臬、鋁和4巴。根據所述優選實施方案的還進一步特征，經修飾分離多肽不包含金屬離子。根據所述優選實施方案的還進一步特征，經修飾分離多肽為單聚形式或三聚形式。根據所述優選實施方案的還進一步特征，核酸構建物還包含順式調節元件。根據所述優選實施方案的還進一步特征，順式調節元件是啟動子。根據所述優選實施方案的還進一步特征，細胞是集胞藻(Synechocystis)細胞。根據所述優選實施方案的還進一步特征，多個經修飾光催化單元每一個之間的距離為15-25nm。根據所述優選實施方案的還進一步特征，多個經修飾光催化單元相對于固體表面定向。根據所述優選實施例中還進一步特征，該裝置用作光電二極管中的元件。根據所述優選實施例中還進一步特征，該裝置用作光電晶體管中的元件。根據所述優選實施例中還進一步特征，該裝置用作邏輯門中的元件。根據所述優選實施例中還進一步特征，該裝置用作太陽能電池中的元件。根據所述優選實施例中還進一步特征，該裝置用作光耦合器中的元件。根據所述優選實施例中還進一步特征，多個經修飾光催化單元直接連接到固體表面。根據所述優選實施例中還進一步特征，直接連接是共價連接。本發明通過提供一種光電裝置，成功地解決了現有已知配置的缺陷。除非另有規定，否則，本文使用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬領域的技術人員通常理解的相同含意。雖然類似或等效于本文中所述的方法和材料能夠在本發明的實踐或測試中使用，但下面描述適用的方法和材料。本文中提及的所有出版物、專利申請、專利及其它參考文獻通過引用以其整體結合于本文中。如有沖突，將以包括定義在內的專利說明書為主。另外，材料、方法和示例只是說明性的，無意于限制。本發明將只通過示例的方式，參照附圖在本文中進行描述。對于現在對圖形的詳細具體參考，強調的是所示細節只作為示例，并且只是為了本發明優選實施例的說明性論述，是為了提供相信是本發明原理和概念方面的最有用和最容易理解的說明內容而呈現。在此方面，不嘗試以獲得本發明的基本理解所必需的更多細節顯示本發明的結構細節，結合附圖的說明使本領域的技術人員明白本發明的幾種形式實際上可如何實施。在圖中圖1A-E描述了PSI中的半胱氨酸突變，提供了半胱氨酸突變在PSI的外表面上的證據。圖IA-C是用于通過同源重組在集胞藻PCC6803的psaB中誘導突變的載體的示意圖。質粒pZBL是通過將psaB基因的1.8kb片段、賦予卡那霉素抗性的基因(Kan、和1.1kb下游側翼區插入到pBluescript載體中構建的(圖1B)。為選擇psaB缺陷型受體細胞，通過切除psaB的下游端的1.3kb和插入氯霉素抗性基因(Cm11)構建出pBLAB載體(圖1C)。基因組DNA上的限制位點在圖IA中示出。圖1D是PSI的結構的骨架示圖(backbonepresentation),所計劃的突變在"空間立體球(spacefill)"中。箭頭顯示光誘導的電荷轉移的方向。PsaB亞單位中被突變成半胱氨酸的氨基酸從左到右顯示如下D235C、S246C、D479C、S499C、S599C、Y634C。這些坐標取自PDB文件JBOl，在RasMole軟件的幫助下顯示出來。圖1E是經分離的野生型PSI復合物(泳道l)和經遺傳修飾的PSI復合物(泳道2-7)上的表面暴露半胱氨酸的免疫印跡的照片。圖2A-B是在金表面上定向PSI反應中心的二維空間陣列的圖像。圖像通過輕觸模式(tappingmode)原子力顯微術(AFM;面積0.3|am2)獲得。圖2A是在硅基片(siliconslide)上的退火的150nm金表面的圖像，并且圖2B是在包含突變體D479C多肽(SEQIDNO:20)的PSI單體的溶液中溫育的金襯底的圖像。圖3A-B是在金表面上定向PSI反應中心的二維空間與電位圖。在Au-Si表面上來自突變體D479C(SEQIDNO:20)的同一套PSI反應中心三聚體的形貌(圖3A)和電位(圖3B)圖像。圖3B中示出了PSI的光誘導PSI負電位。光照由圖像上示出的氦氖激光器提供，為632.8nm,5mW/cm2。圖3B中所示電位的負號是由于KPFM反饋電路的原因，與CPD的實際符號相反。圖4A-B是在金表面上定向PSI反應中心的二維空間與電位圖。在Au-Si表面上來自突變體D479C的同一套PSI反應中心三聚體的形貌(圖4A)和電位(圖4B)圖像。圖4B中示出了PSI的光誘導PSI負電位。已構建圖像的每個光柵的掃描方向是從上至下(由亮至暗)。光照由氦氖激光器提供，為632.8nm，5mW/cm2。如圖4B所示電位的負號是由于KPFM反々貴電路的原因，與CPD的實際符號相反。圖5A-B是在金表面上定向PSI反應中心的三維形貌與電位圖像。圖5A示出在Au-Si表面上PSI反應中心單體的電位圖像。在打開632.8nm,5mW/cm2(hv)的氦氖激光器的光照時，看到PSI的光誘導PSI負電位。已構建圖像的每個光柵的掃描方向是從上至下(由暗至亮)。圖5B示出Au-Si襯底上PSI三聚體的三維形貌表示。圖6A-B是PSI的光譜法測量。圖6A示出在經分離PSI突變體(SEQIDNO:20)中P700的閃光誘導瞬態吸收變化。P700的吸收變化在D479C突變體PSI復合物中的^:包和激光閃光后在820nm(厶八820)監測。圖6B示出定向PSI復合物的X射線吸收光譜。在自組裝單層中的PSI定向由掠射(grazing)X射線熒光的總反射測量確定。PSI通過在硅村底上方的鴒碳多層上獨特的半胱氨酸與鵠之間形成硫化物鍵而連接。每個圖是距X射線束法線(norma1)25(—)、45(A)、60(一)和90(O)度所示角度中60,42s掃描的平均值。圖7是根據本發明的各種示范實施例的光電裝置的示意圖。圖8是根據本發明的各種示范實施例的光電二極管裝置的示意圖。圖9是根據本發明的各種示范實施例的光電晶體管的示意圖。圖10是根據本發明的各種示范實施例的光耦合器的簡化圖。圖Ua-b是#>據本發明的各種示范實施例的光電裝置的簡化圖。圖12示出在優選實施例中的能級圖，其中，裝置的一個電極由鋁制成，并且另一電極由氧化銦錫制成。圖13a-b是根據本發明的各種示范實施例的光電陣列的示意圖。圖14是根據本發明的各種示范實施例，適用于制造光電裝置的方法的流程圖(圖14)。圖15a-d是根據本發明的各種示范實施例，用于制造光電裝置的各種方法的示意工藝圖。圖16a-d是根據本發明的各種示范實施例，用于制造光電陣列的各種方法步驟的示意工藝圖。圖17a-c是在本發明的各種示范實施例中，在金表面上定向PSI反應中心的二維空間與電位圖。圖17a-b是在Au-Si表面上來自突變體D479C的同一套PSI反應中心三聚體的形貌(圖17a)和電位(圖17b)圖像。圖17b中示出了PSI的光誘導PSI負電位。已構建圖像的每個光柵的掃描方向是從上至下(由亮至暗)。光照由氦氖激光器提供，為632.8nm，5mW/cm2。如圖所示電位的負號是由于KPFM反饋電路的原因，與CPD50的實際符號相反。圖17c示出在光照下結合PSI。圖18a-d是通過鍍鉑PSI單層的原子力顯微術獲得的圖像。圖18a和18c是PSI(圖18a)和鍍鉑(圖18c)的形貌圖像。圖18b和18d顯示相應的相位對比圖像。蛋白質的特性在相位圖像中通過金屬制動(damped》圖19示出在金表面上PSI單層中光電流的電化學測量。通過電池的玻璃壁從150W幻燈機光照(開和關)工作電極。介質包含0.1Mtris-HCl,pH7.5和0.05mM曱基紫精。圖20a-c是根據本發明的各種示范實施例制造的原型光電陣列的圖像。圖20a示出PSI分子(白點)的化學吸收層；圖20b是顯露金電極的空腔的電子顯微鏡圖像；圖20c是示出在底部金電極("源極")與頂部氧化銦錫電極("漏極")之間夾入的光電裝置陣列的原型的光學顯微圖像。圖21是圖20a-c的原型光電陣列的示意圖。圖22是用于使用圖20a-c的原型裝置執行的光電導性實驗的設置的示意圖。圖23是從圖22所示實驗獲得的光電導性I/V數據。優選實施方案的說明本發明各實施方案包括可共價連接到固相載體而又能保持活性的經修飾光催化單元。具體的說，本發明各實施方案可在多種不同的裝置中用作電子元件，包括但不限于空間成像裝置、太陽能電池、光計算和邏輯門、光電子開關、光子A/D轉換器、薄膜光生伏打結構等。在詳細說明本發明的至少一個實施方案之前，應認識到，本發明在應用上并不局限于以下說明中所給出的、附圖中所圖示的或實施例中所例示的元件的構建和排列的細節內容。本發明還能有其他的實施方案，或者能用不同的方式進行實施或執行。還應認識到，本文所采用的詞語和術語是出于說明的目的，不應認為具有限制意味。光合作用是通過光和暗反應將電;茲能轉化成化學能的生物過程。在產氧植物和藍細菌中，光子捕捉和光能向化學能的轉化發生在稱為類嚢體的特化膜中。類嚢體在高等植物中位于葉綠體中，在藍細菌中則由細胞質膜的折疊所構成。PSI是跨膜多亞單位蛋白質-葉綠素復合物，能介導從質體藍素或細胞色素Cs53向鐵氧化還原蛋白的矢量光誘導電子轉移。納米大小的尺寸、大約58%的能量產率和高量子效率使得這個反應中心成為有希望的元件，用于分子納米電子學的應用中。但是，為了將PSI反應中心結合到分子裝置中，有必要將PSI反應中心固定化在襯底上而又不能使它們變性。另外，PSI反應中心的定向連接是必要的，這樣才使所誘導產生的電荷不會互相抵消。本發明人在將本發明付諸實施時發現，可對光催化單元中的多肽進行遺傳修飾，使得它們包含據以共價連接到固體表面而又仍能保持活性的官能基團。如下文的實施例部分所示，本發明人采用可公開獲得的有關PSI的三維結構的結構數據，將朝向細菌細胞膜的細胞質一側的膜外環中PSI的PsaB多肽和PsaC多肽中的氨基酸突變成半胱氨酸，以確保二硫鍵的形成(在PSI單元和金屬表面之間)。將各個突變選擇在P700的附近，以確保反應中心和金電極之間緊密接近，從而促進有效的電接合(實施例1)。本發明人還證實，通過在多個光催化單元中用半胱氨酸置換同一氨基酸，與固相載體發生的連接將是定向的，從而PSI單元會在固相載體上形成單層(實施例2)。通過選4奪待-故半胱氨酸殘基置換的具體氨基酸，可對光催化單元在固相載體上的精確定向加以調整。如上所述進行修飾的PSI單元能夠在金表面上形成定向的單層，這由原子力顯微術檢測出，見圖2A-B。突變體PSI單元在與金表面連接后具有功能活性，這由它們產生明顯的光誘導電勢的能力(由開爾文探針力顯微術(KPFM)測量到，見圖3A-B)和它們轉移電子的能力(由單翻折光譜法(singleturnoverspectroscopy)測量到，見圖6A-B)所證明。Trammel等人[Biosensors&Bioelectronics2004,191649-1655]教導了對細菌反應中心的包含六聚組氨酸尾的修飾。與本發明形成鮮明對比的是，經突變的PSI不能共價鍵合到金屬表面。Das[NanoLetters2004,41079-1083]教導了對植物反應中心的包含六聚組氨酸尾的修飾。同樣與本發明形成鮮明對比的是，經突變的PSI不能共價鍵合金屬表面，需要用肽表面活性劑進行穩定化才能連接到固體表面。Lee等人[J.Phys.Chem.B2000]教導了用有機分子包覆金屬表面和將PSI非共價吸附到有機層。與本發明形成鮮明對比的是，各PSI蛋白質呈一些方向，因此沒有功能活性。Leeetal,[Biosensors&Bioelectronics,1996，11-4,375-387]教導了將鉑沉積在光合作用膜的表面上，從而與PSI的受體一側形成了直接的電接觸，在這里能催化氫析出。驅動光電流通過外電路的潛在能力在這些研究中沒有得到證實。與Trammel等人和Das類似，Lee等人沒有教導細菌反應中心和PSJ各自與固體表面的共價連接。與Trammell等人和Das形成鮮明對比的是，本發明的PSI修飾蛋白不需要進行修飾以包含金屬離子，因為它們是依靠位于PSI中的膜外環處的引入的半胱氨酰殘基來鍵合到金屬表面。因此，本發明的一個方面提供包含有光合生物的光催化單元的多肽的氨基酸序列的經修飾分離多肽，該氨基酸序列能夠介導該光催化單元與固體表面的共價連接并在該光催化單元連接到固體表面時保持它的光催化活性。本文所用的詞語"光催化單元"指至少一個多肽和其他小分子(例如葉綠素分子和色素分子)的復合物，所述多肽和小分子當結合在一起時能作為一個功能單元起作用，將光能轉化成化學能。上文提到，本發明的光催化單元存在于光合生物(即能將光能轉化成化學能的生物)中。光合生物的實例包括但不限于綠色植物、藍細菌、紅藻、紫細菌和綠細菌。因此，可按本發明這個方面進行使用的光催化單元的實例，包括生物光催化單元如PSI和PSII、細菌光敏蛋白、細菌光敏蛋白、細菌視紫紅質、光催化微生物、色素(例如原黃素和視紫紅質)、有機染料和藻類。優選地，本發明的光催化單元是光系統I(PSI)。PSI是存在于綠色植物和藍細菌中的蛋白質-葉綠素復合物，是類嚢體膜當中的光合作用機制(machinery)的一部分。它的形狀為橢圓形，尺寸約為9x15納米。本文所用的術語"約"指±10%。PSI復合物通常包含充當吸收光子和將光子能量轉移到P700的觸角(antennae)的葉綠素分子，這個能量在P700被捕捉并被用來驅動光化學反應。除了P700和天線葉綠素外，PSI復合物還含有多個電子受體。從P700釋放的電子通過中間的受體轉移到PSI還原端的終末受體，然后該電子被轉運通過類嚢體膜。下表l列出PSI多肽的實例及其來源生物。力顛#<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>才艮據本發明這個方面的一個優選實施方案，PSI衍自藍細菌，更具體的說衍自集胞藻PCC6803。在藍細菌中，PSI復合物由12個多肽組成，一些多肽結合96個捕光葉綠素和22個P類胡羅卜素分子。電子傳遞鏈分別含有P700、A。、A、Fx、代表葉綠素a二聚體的FA和FB、單聚葉綠素a、兩個葉綠醌和三個[4Fe-4S]鐵硫中心。反應中心核心復合物由含有第一電子供體P700的異型二聚的PsaA和PsaB亞單位構成，P700會進行光誘導的電荷分離并將電子轉移通過相繼的載體Ao、Ai和Fx。最終受體FA和FB位于另一亞單位PsaC上。衍自藍細菌的PSI在結構上比衍自植物的PSI和細菌反應中心更穩定。這是因為在藍細菌中，所有的葉綠素分子和類胡蘿卜素都結合到核心亞單位復合物中，而在植物和其他細菌反應中心中，天線葉綠素結合到與核心亞單位連接的葉綠素-蛋白質復合物。因此，與衍自其他生物如植物和其他細菌的PSI不同的是，衍自藍細菌的PSI在與固體表面連接的過程中不需要肽表面活性劑來進行穩定化[R.Das等，NanoLetters2004，41079-1083]。本文所用的術語"(經)分離(的)"指已至少部分上從其天然合成部位(例如光合生物)移取的經修飾光催化多肽。通常，光催化多肽不與光催化單元的其他成員(即葉綠素和色素)分離，以使光催化單元保持具有功能。優選地，多肽基本上不含存在于其體內部位的其他物質(例如其他細胞、蛋白質、核酸等)。如所述，本發明這個方面的光催化單元包含經修飾的多肽。本文所用的術語"多肽，，指可通過重組DNA技術合成的多肽。本說明書和所附權利要求書中用到的術語"氨基酸"，要理解為包括20個天然氨基酸；通常在體內進行翻譯后修飾的氨基酸，包括例如羥脯氨酸、磷酸絲氨酸和磷酸蘇氨酸；和其他非常見氨基酸，包括但不限于2-氨基己二酸、羥賴氨酸、異鎖鏈素、正纈氨酸、正亮氨酸和烏氨酸。此外，術語"氨基酸"同時包括D-氨基酸和L-氨基酸。下表2和3列出可用于本發明的天然氨基酸(表2)和非常規氨基酸或經修飾的氨基酸(表3)。<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>婦<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage26</column></row><table>本文所用的詞語"(經)修飾(的)多肽"指與野生型多肽相比包含有修飾的多肽。通常，修飾是氨基酸修飾。根據本發明的這個方面，設想對序列可作任何修飾，只要所得的多肽能夠共價連接到固體表面并保持光催化活性。修飾的實例包括缺失、插入、置換及其生物活性多肽片段。插入或缺失通常在約l-5個氨基酸的范圍。修飾位點是按所提出的光催化單元三維結構來選擇。有關光催化單元三維結構的證據(evidence),可從X射線晶體學研究得到，或者用蛋白質建模軟件得到。細長聚球藻(Synechococuselongatus)和植物葉綠體的PSI的晶體結構已分別被解析到2.5A于4.4A[P.Jordan,etal，，Nature2001,411909-917;A.BenShem，etal"Nature2003,426630-635]。要被置換的氨基酸或者插入位點通常位于光催化單元的外表面上(例如膜外環上)。優選地，要被置換的氨基酸或者插入位點在不會引起空間位阻的位置中。還優選的是，將各個突變定位在光催化單元的P700的附近，以確保反應中心和固體表面之間緊密接近，從而促進有效的電接合。根據本發明這個方面的一個優選實施方案，修飾是包含能夠介導與固體表面的結合的官能團側鏈的置換(即取代)。集胞藻PCC6803的PSI在PsaB中的突變的特別優選的坐標包括單突變D235C、S246C、D479C、S499C、S599C和Y634C或者雙突變D235C/Y634C和S246C/Y634C。在PsaC中，特別優選的突變位點是W31C。另外，可在光催化單元中產生三突變(例如PsaC〃PsaBW31C〃D235C/Y634C)。優選地，被置換的野生型氨基酸對于光催化單元的活性不是必需的。哪些氨基酸在功能上是多余的，要確定這一點，可這樣獲得指引將光催化單元的序列與同源的已知蛋白質分子的序列進行比較，使在高度同源區域中所作的氨基酸序列變化的數目減至最低。在一個實施方案中，在一個或多個預測的非必需氨基酸殘基處作出保守氨基酸置換。"保守氨基酸置換"是其中氨基酸殘基用具有類似側鏈的氨基酸殘基進行取代的置換。本領域已確定了具有類似側鏈的氨基酸殘基的家族。這些家族包括具有堿性側鏈的氨基酸(例如賴氨酸、精氨酸、組氨酸)，具有酸性側鏈的氨基酸(例如天冬氨酸、谷氨酸)，具有不帶電荷的極性側鏈的氨基酸(例如甘氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸、半胱氨酸)，具有非極性側鏈的氨基酸(例如丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、脯氨酸、丙氨酸、曱硫氨酸、色氨酸)，具有P分支側鏈的氨基酸(例如蘇氨酸、纈氨酸、異亮氨酸)和具有芳族側鏈的氨基酸(例如酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、組氨酸)。在另一個實施方案中，可作出非保守氨基酸置換，因為突變是優選設計來使蛋白質能夠定向地共價連接到金屬。通過選擇能以光合自養方式生長的突變細胞，可確保得到未受損的PSI細胞。優選地，將在上述坐標處的氨基酸用能夠鍵合到金屬表面的氨基酸(例如包含硫醇基團的氨基酸如半胱氨酸)進行取代。在本發明這個方面的一個優選實施方案中，多肽的序列如SEQIDNO:20、21、22、23、24、25、26、27、28和29所示。優選使用重組技術來產生本發明的多肽，因為光催化單元通常包含超過一個結合成復合物的多肽和其他分子(例如色素分子和葉綠素)。另外，這些技術更適于產生相對較長的多肽(例如超過20個氨基酸)，并且大量產生。這些重組技術在以下文獻中有描述Bitteretal.,(1987)MethodsinEnzymol.153:516-544;Studieretal.(1990)MethodsinEnzymol.185:60-89;Brissonetal.(1984)Nature310:511-514;Takamatsuetal.(1987)EMBOJ.6:307-311;Coruzzietal.(1984)EMBOJ.3:1671-1680和Broglietal.，(1984)Science224:838-843;Gurleyetal.(1986)Mol.Cell.Biol.6:559-565和Weissbach&Weissbach,1988,MethodsforPlantMolecularBiology,AcademicPress,NY,SectionVIII，pp421-463。本發明的多肽可通過標準的技術如定點誘變(寡核苷酸介導的誘變)和PCR介導的誘變來進行修飾。因此，編碼光催化單元的多肽的多核苷酸可進行突變。在誘變后，可在適當的細胞系統中表達光催化單元。寡核苷酸介導的誘變是一種本領域公知的技術，如Adelmanetal.,DNA,2:183(1983)所述。簡單的說，通過將編碼所需突變的寡核苷酸與多核苷酸模板雜交，來將編碼光催化單元的多肽的多核苷酸(例如PsaB基因)進行改變，其中該模板是含有光催化單元的多肽的未經改變的或天然的多核苷酸序列的單鏈形式質粒。在雜交后，用DNA聚合酶(例如DNA聚合酶I的Klenow片段)合成該模板(它會因此結合上寡核苷酸引物，并會編碼光催化單元多核苷酸中的選定變更)的完整第二互補鏈，從而產生異源雙鏈體分子。然后將這一異源雙鏈體分子轉化到合適的宿主細胞中，通常是原核生物如大腸桿菌JMIOI。細胞長出后，可將它們接種到瓊脂糖平板上，篩選鑒定出含有突變DNA的細菌菌落。然后移取突變區域并放入用于蛋白質生產的適當載體中，該載體一般是通常用來轉化適當宿主的那種類型的表達載體。一般來說，使用長度至少25個核苷酸的寡核苷酸。最佳的寡核苷酸會具有12-15個在編碼突變的核苷酸的任一側與模板完全互補的核苷酸。這確保寡核苷酸會正確地與單鏈多核苷酸模板分子雜交。寡核苷酸可容易地用本領域公知的技術合成，如Creaetal.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,75:5765(1978)所述的技術。多核苷S交模板只能由以下兩類載體產生衍自噬菌體M13載體的載體(市售的M13mp18載體和M13mp19載體是適合的)，或者如Vieraetal.Meth.Enzymol.,153:3(1987)所述含有單鏈噬菌體復制起點的載體。因此，必需將所要進行突變的多核苷酸插入到這些載體之一中，以產生單鏈模板。單鏈模板的產生在Sambrooketal.,MolecularCloning:ALaboratoryManual(ColdSpringHarborLaboratoryPress,N.Y.1989)的4.21-4.41節中有描述。有超過一個氨基酸要進行置換的突變體，也可用定點誘變來產生。下文實施例1中描述了根據本發明教導內容用定點誘變對PSI進行突變的示例性方法。PCR誘變和盒式誘變也是適用于對光催化單元的多肽進行修飾的才支術，參見Sambrook和Russell(2001，MolecularCloning,ALaboratoryApproach,ColdSpringHarborPress,ColdSpringHarbor,N.Y.)和Ausubeletal.(2002,CurrentProtocolsinMolecularBiology,JohnWiley&Sons,NY)。適用于表達突變的光催化序列的宿主，包括任何能夠合成功能性光催化單元的宿主。因此，宿主必須能夠將色素、葉綠素分子等結合到光催化單元中。合適的宿主的實例包括但不限于綠色植物細胞培養物、綠色植物和光合作用細菌。在本發明這個方面的一個優選實施方案中，宿主是集胞藻這種藍細菌。根據本發明的一個特別優選的實施方案，通過將突變的DNA插入到宿主基因組中來對其進行克隆。當宿主細胞是光合作用細菌時，這特別合適。這個方法是通過將與光合作用基因組DNA中存在的序列互補的DNA序列包括在載體中來實現的。用這個載體轉染光合作用細菌會導致與基因組的同源重組和光合作用多肽DNA的插入。下文實施例1中描述了通過集胞藻PCC6803與突變的psaB基因的同源重組來進行轉化的示例性方法。基本上來說，用克隆有突變psaB的基因的質粒pZBL轉化野生型集胞藻細胞，這些細胞是在補加有5mM葡萄糖、10mMTES-KOH，pH8(N-三[羥曱基]-曱基-2-氨基乙磺酸鹽)和硫代硫酸鹽(3g/l)的BG-11平板上進行光激活的異養生長(LAHG:暗處生長，其中每24小時以40微摩爾m_2s—1的光子通量密度進行光照10分鐘)。同源重組的方案在圖1A中示出。將細胞用所產生的質粒進行轉化，然后在5-20mg/ml卡那霉素上進行幾代的選擇和分離(segregate)。轉化子的選擇和分離是在卡那霉素壓力下進行。或者，可將編碼本發明的經修飾多肽的多核苷酸連接到核酸表達載體中，該表達載體包含處在適于指導本發明多肽在宿主細胞中的組成型、組織特異型、或誘導型轉錄的順式調節序列(例如啟動子序列)的轉錄控制下的多核苷酸序列。詞語"(經)分離(的)多核苷酸，，指以RNA序列、互補多核苦酸序列(cDNA)、基因組多核苷酸序列的形式和/或復合多核苷酸序列形式(例如以上形式的組合)分離和提供的單鏈或雙鏈核酸序列。可按本發明的教導內容使用的多核普酸序列的實例為SEQIDNO:30、31、32、33、34、35、36、37和38所示。本文所用的詞語"互補多核苷酸序列，'指用反轉錄酶或任何其他RNA依賴性DNA聚合酶對信使RNA進行反轉錄所產生的序列。這種序列隨后可用DNA依賴性DNA聚合酶在體內或體外進行擴增。本文所用的詞語"基因組多核苷酸序列"指衍自(分離自)染色體的序列，因此它代表著染色體的鄰近部分(contigousportion)。本文所用的詞語"復合多核苷S吏序列，，指至少部分上屬互補序列和至少部分上屬基因組序列的序列。復合序列可包括一些編碼本發明多肽所需的外顯子序列，以及一些間插在它們中間的內含子序列。內含子序列可以來自任何來源，包括來自其他基因，通常會包括保守剪接信號序列。這些內含子序列還可包括順式作用表達調節元件。前文提到，可將本發明的多核苷酸序列插入到表達載體(即核酸構建物)中，以使重組多肽得到表達。本發明的表達載體包括另外的能使這個載體適合在原核生物、真核生物或優選這兩類生物(例如穿梭載體)中復制和整合的序列。典型的克隆載體含有轉錄和翻i奪起始序列(例如啟動子、增強子)及轉錄和翻譯終止子(例如聚腺苷酸化信號)。取決于所表達的多肽的預定用途，在細菌系統中，可有利地選用多種表達載體。例如，當需要大量的多肽時，可能需要能指導高水平的蛋白質產物的表達的載體，該蛋白質產物可能是作為帶有疏水信號序列的融合體來表達，該疏水信號序列能將所表達的產物導向細菌的周質或培養基中，在那里蛋白質產物可容易進行純化。某些經工程改造帶有特定切割位點以幫助多肽的回收的融合蛋白，也可能是適合需要的。這類能適應這種操作的載體包括但不限于pET系列的大腸桿菌載體[Studieretal.，MethodsinEnzymol.185:60-89(1990)]。在使用植物表達載體的情況中，多肽編碼序列的表達可由多個啟動子來驅動。例如，可使用病毒啟動子如CaMV的35SRNA啟動子和19SRNA啟動子[Brissonetal.,Nature310:511-514(1984)]或者TMV的衣殼蛋白啟動子[Takamatsuetal.,EMBOJ.6:307-311(1987)]。或者，可使用植物啟動子，例如RUBISCO的小亞單位[Coruzzietal.，EMBOJ.3:1671-1680(1984)和Broglietal.，Science224:838-843(1984)]或者熱激啟動子如大豆hspl7.5-E或hspl7.3-B[Gurleyetal.,Mol.Cell.Biol.6:559-565(1986)]。這些構建物可用Ti質粒、Ri質粒、植物病毒載體、直接DNA轉化、微注射、電穿孔和本領域技術人員公知的其他技術導入到植物細胞中。參見例如Weissbach&Weissbach[MethodsforPlantMolecularBiology,AcademicPress,NY，SectionVIII,pp421-463(1988)〗。應認識到，本發明的表達構建物除了含有所插入的編碼序列(對多肽進行編碼)的轉錄和翻譯的必需元件外，還可包含經工程改造能使所表達的多肽的穩定性、生產、純化、產率或活性最優化的序列。表達載體和克隆載體應含有選擇基因，也稱可選擇標記。這是編碼對于轉化有該載體的宿主細胞的存活或生長來說必需的蛋白質的基因。這個基因的存在，能確保任何缺失了該載體的宿主細胞相比于被轉化的宿主不會獲得生長和繁殖方面的優勢。典型的選擇基因編碼以下蛋白質(a)賦予對抗生素或其他毒素如氨芐青霉素、新霉素、曱氨喋呤或四環素的抗性的蛋白質，(b)對營養缺陷進行補足的蛋白質，或者(C)供應從復雜培養基不能獲得的關鍵營養物的蛋白質。有多種方法可用來將本發明的表達載體導入到宿主細胞系統中。這些方法一般在以下文獻中有描述Sambrooketal.,MolecularCloning:ALaboratoryManual,ColdSpringsHarborLaboratory,NewYork(1989，1992);Ausubeletal.,CurrentProtocolsinMolecularBiology,JohnWileyandSons,Baltimore,Md,(1989);Changetal.,SomaticGeneTherapy,CRCPress,AnnArbor,Mich.(1995);Vegaetal.，GeneTargeting,CRCPress,AnnArborMich.(1995)，Vectors:ASurveyofMolecularCloningVectorsandTheirUses,Butterworths,BostonMass.(1988)和Gilboaetat.[Biotechniques4(6):504-512,1986]，它們包括例如穩定轉染或瞬時轉染、脂質轉染、電穿孔和用重組病毒載體進行的感染。另外，參見美國專利第5，464，764號和第5,487,992號中的正負選擇方法。將轉化細胞在能使大量的重組多肽得以表達的有效條件下進行培養。有效培養條件包括但不限于有利于蛋白質生產的有效培養基、生物反應器、溫度、pH和供氧條件。有效的培養基指任何據以培養細胞生產本發明的重組多肽的培養基。這種培養基通常包括具有可同化的碳源、氮源和磷源及適當的鹽類、礦物質、金屬和其他營養物如維生素的水溶液。本發明的細胞可在常規的發酵生物反應器、搖瓶、試管、微量滴定盤和平板中進行培養。培養可在適于重組細胞的溫度、pH和氧含量下進行。這些培養條件在本領域普通技術人員的技能范圍內。在合適的條件下培養后，優選將光催化單元從細胞分離出來。下文實施例部分的實施例2中描述了示例性的從光合生物移取光催化單元的方法。本發明還設想到使用任何其他純化和分離方法，只要光催化單元能保持功能即可。光催化單元可作為聚合物如三聚體或者作為單個單體分離。光催化單元可以是完全分離的，或者是膜制品的一部分。制備膜提取物的方法是本領域公知的。例如Qoronfleh等人[JBiomedBiotechnol.2003;2003(4):249口255]教導了通過分配相分離選擇性富集膜蛋白質的方法。還有多種市售的提取試劑盒可供用于膜提耳又物的制備，如Sigma-Aldrich的ProteoPrepTMMembraneExtractionKit。因此，本發明的另一個方面提供包含本發明的經修飾多肽的經分離修飾光催化單元。根據本發明的這個方面，術語"(經)分離(的)"指已至少部分上從其天然合成部位(例如光合生物)移取的光催化單元。優選地，光催化單元基本上不含在其體內位置存在的物質(例如其他細胞、蛋白質、核酸等)。在分離后，可如下所述對光催化單元的活性進行試驗。在分離后，可將本發明的經修飾光催化單元通過共價或非共價4定合(靜電鍵合)連接到固體表面。本文所用的術語"共價鍵"指兩個原子通過各貢獻一個電子而共享這兩個電子所產生的鍵。優選地，光催化單元直接鍵合到固體表面(即不包含任何接頭分子，也不用金屬離子包覆)。固體表面的選擇取決于光催化單元的修飾情況。因此，如果如下文所例示，修飾包含半胱氨酸置換，則固體表面優選是導電材料如過渡金屬。可按照本發明這個方面使用的過渡金屬的實例，包括但不限于銀、金、銅、鉬、鎳、鋁和鈀。本發明各實施方案的經修飾光催化單元，可通過使置換的殘基與固體基材的親水表面直接發生反應來共價連接到固體表面。例如，在置換的殘基是半胱氨酸的優選實施方案中，可通過將經修飾光催化單元與金或其他金屬表面溫育一段足以形成二硫鍵的時間來進行連接。還設想到了其他的連接方法。下文實施例部分的實施例2中描述了示例性的將半胱氨酸置換的光催化單元進行共價連接的方法。根據本發明的這個方面，經修飾光催化單元在連接到固體表面之后還保持光催化活性。本文中的詞語"光催化活性"指光能向化學能的轉化。優選地，經修飾光催化單元保持野生型光催化單元在其體內環境中的活性的至少20%、更優選至少30%、更優選至少40%、更優選至少50%、更優選至少60%、更優選至少70%、更優選至少80%、更優選至少90%、例如約100%。本發明還設想到，本發明的光催化單元包含的活性大于野生型光催化單元在其體內環境中的活性。為了使本發明的經修飾光催化單元在連接到固相載體后還包含光催化活性，光催化單元必需以定向的方式連接，以使它們不會互相中和電荷。如實施例3中所述，本發明的經修飾多肽使光催化單元能鍵合到固相載體，從而產生出光誘導正電勢。所誘導的電勢是負電荷從PSI靠金的一側轉移而產生的。本發明人假定，通過在多個光催化單元中用半胱氨酸置換同一氨基酸，與固相載體發生的連接將是定向的，并且光催化單元會在固相載體上形成單層。通過選擇待被半胱氨酸殘基置換的具體氨基酸，可對光催化單元在固相載體上的精確定向加以調整。測量所制作的表面上的光催化活性的方法，包括測量所制作的表面的光電壓性質。光電壓性質可例如通過開爾文探針力顯微術(KPFM)來測量。如圖3A和3B給出的KPFM圖像所示，本發明的光催化單元顯示出明顯的光誘導電位。具體而言，在形貌跡線中觀察到在由PSI復合物引起的峰處形成的+0.498±0.02V的光誘導正電位。通過觀察關閉光照時的電位變化，也顯示了光誘導電位的可逆性(圖4A-B)。光催化活性也可通過分析光催化復合物中的電子轉移而進行測量。電子轉移可通過分析如單翻折分光鏡測量的閃光^"導的吸收變化而進行測量。如圖6A-B所示，在野生型與突變體的電荷重組速率之間的電荷重組速率的差別指示根據本發明教導的半胱氨酸置換不改變光誘導電子轉移的作用模式。現在參照圖7,它是根據本發明的各種示范實施例的光電裝置10的示意圖。裝置10包括固相載體12和連接到載體12的表面13的多個經分離光催化單元14。經分離光催化單元14優選進行修飾，以便有利于單元14共價連接到表面13，同時如上進一步所述保持光催化活性。光電裝置10包含光催化單元14部分，有利于光誘導電子轉移。受光線11激發，在視光催化單元類型而定能夠從幾百皮秒到幾^:秒的時期內，發生從供體部位16跨多個中間級到受體部位18的電子轉移。誘導電子轉移的光頻率取決于從中獲得單元14的光合生物。例如，在采用綠色植物或綠細菌的光催化單元時，裝置10對具有從大約400nm到大約750nm波長的綠光敏感，在采用藍細菌的催化單元時，裝置10對具有從大約400nm到大約500nm波長的青光敏感，在采用紅藻的光催化單元時，裝置IO對具有從大約650nm到大約700nm波長的紅光^:感，以及在采用紫細菌的光催化單元時，裝置10對具有從大約400nm到大約850nm波長的紫色光敏感。光電裝置10能夠在微-和亞-微電子電路和裝置中使用，包括但不限于空間成像裝置、太陽能電池、光學計算和邏輯門、光電開關、二極管、光子A/D變換器及薄膜"柔性"光生伏打結構。現在參照圖8,它是根據本發明的各種示范實施例的光電二極管裝置20的示意圖。本領域的技術人員將認識到為顯示清晰起見，已從圖8中忽略了圖7中出現的一些元件。光電二極管裝置20包括光電裝置10和分別與供體部位16和受體部位18電通信的兩個電接觸部22和24。與供體部位16的電通信例如能夠通過將傳導材料連接到載體12或表面13而建立。受體部位可通過在本發明經修飾的多肽(例如，在PSI的子單元中的W31C)與頂部淀積金屬電極之間形成的硫化物鍵而形成共價鍵。在受體側的鍍鉑光催化單元可與通過薄金屬電極的蒸發淀積的頂部電極進行金屬到金屬電連接。光催化單層或鍍鉑光催化單層上淀積的導電聚合物可用作頂部電極。圖8底部上示出了光電二極管的符號示圖。在使用中，光催化單元被光照射，因此被激發以實現一般高于95%的高量子效率的有效電荷分離。接觸部22和24分接由電荷分離引起的電流。視在接觸部22與24之間應用的電壓而定，光電二極管裝置20可用作光生伏打裝置或反偏壓光電二極管。具體而言，在不存在外部電壓時，光電二極管裝置20作為在光線照射時產生電流的光生伏打裝置。此類裝置可用作例如太陽能電池中的元件。在接觸部22與24之間應用反偏壓時，只要光電二極管裝置20未受到激發光催化單元的光線照射，光電二極管裝置20便保持對從接觸部24流到接觸部22的電流的高阻抗。在適當波長的光線照射下，電阻會大大降低。此類裝置可用作例如光檢測器中的元件。在未應用偏置電壓時，光電裝置IO也可用作太陽能電池。在光催化單元照射時，電荷分離狀態在供體部位16與受體部位18之間產生內部電壓。內部電壓可經在供體部位16和受體部位18的電接觸部分接。如果電流電路從外部關閉，則電流通過在太陽能電池中重復的光驅動電荷分離得以保持。裝置10的生成的極化電荷分離狀態也可在分子晶體管中利用。具體而言，裝置10可用作充當柵電極的光充電電容器，其修改在與其連接的溝道中電荷載流子的密度。現在參照圖9，它是根據本發明的各種示范實施例的光電晶體管30的示意圖。光電晶體管30包括源電極32、漏電極34、溝道36和光反應柵電極38。柵電極38優選包括光電裝置10。溝道36優選具有半導體屬性，以便可改變電荷載流子的密度。沒有光線時，溝道36不包含任何自由電荷載流子，并且基本上是絕緣體。暴露在光線下時，裝置10的光催化單元生成極化電荷分離狀態，并且由此形成的電場吸引來自源電極32和漏電極34的電子(或一般地說，電荷載流子)以便溝道36變得有傳導性。因此，光晶體管30充當放大器或開關裝置，其中，光線控制從源電極32和漏電極34流動的電流。電極可由任何導電材料制成，諸如但不限于金。電極間間隔確定溝道長度。電極可淀積在半導體表面上以形成源極-溝道-漏極結構。柵電極可從如上更詳細所述的所示實施例的經分離光催化單元形成。光電晶體管的符號示圖在圖9的右側示出。正如本領域的技術人員將理解的一樣,在柵電極38保持開路時光電晶體管30可操作，這是因為選通由沖擊到電極38上的光子誘導。光電晶體管30可用作邏輯元件，由此光電晶體管可由入射光切換到"打開"狀態。另外，由于漏電流的強變化與入射光束的空間位置，光電晶體管30可用作帶有大的圖案結構可能的圖像傳感器的骨架。如上詳述，每個在不同波長操作的若干光電晶體管可組裝以允許圖像傳感器對彩色圖像敏感。帶有常規半導體領域技術人員熟知的其它修改的結構的電荷存儲能力可用于存儲器相關的應用。光電二極管20和/或光電晶體管30可在許多電子電路中集成。具體而言，此類裝置可用作構件塊，這些構件塊可在表面結構上組裝以形成復合電子組裝。例如，兩個或更多個光電二極管或光電晶體管可在表面結構上組裝以形成邏輯門、邏輯門的組合或^t處理器。現在參照圖10,它是根據本發明的各種示范實施例的光耦合器40的簡化示圖。光耦合器40對于在元件之間例如由于電壓電平不匹配而未建立直接電接觸的情況下將信號從一個元件轉移到另一元件特別有用。例如，光耦合器40可用于在低電壓電平操作的微處理器與在高電壓電平操作的選通開關裝置之間的無接觸通信。根據本發明的優選實施例，光耦合器40包括光發射器42和光接收器44。發射器42可以是任何光源，諸如但不限于光發射二極管(LED)。接收器44優選包括光電裝置10，并且例如可以是光電二極管(例如，光電二極管20)或光電晶體管(例如，光電晶體管30)。發射器42的選擇使得由此發射的輻射能量充分，可誘導裝置10的供體部位16與受體部位18之間的電荷分離。發射器42和接收器44保持光通信，但電去耦合。例如，發射器42和接收器44可通過允許光通過但防止任何電流跨其流動的透明阻隔物46分離。發射器42和接收器44優選相互對立，以便從發射器42發射的輻射撞擊接收器44。由電信號觸發后，發射器42發射光48，光通過阻隔物46并撞擊接收器44。接收器44又生成電信號，如上更詳細所述，該信號可經適合的電接觸部分接。因此，光耦合器40成功地將在其輸入端(發射器42)應用的電信號傳送到其輸出端(接收器44),免除了輸入端與輸出端之間的任何電接觸。現在參照圖lla-b，它們是根據本發明的各種示范實施例的光電裝置50的簡化圖。在其最簡單的配置中，裝置50包括一層或多層的光活性納米顆粒54。納米顆粒54在兩個電極56與57之間插入。在圖11所示的代表性示例中，電極57能透光。電極56可以是能透光、反射光或吸收光的。在本文中使用時，"光活性納米顆粒"指在光照射時改變其電偶極的顆粒。光活性納米顆粒例如可以是在光照射時變得電極化的非極化納米顆粒，也可以是具有一定電荷分離特征，響應光而改變(一般是增大)其電荷分離的納米顆粒。在本發明的各種示范實施例中，納米顆粒54包括光合生物的光催化單元。例如，如本文上面進一步詳細所述一樣，納米顆粒54可包括共價連接到光催化單元14例如PSI的表面13。在使用中，電極57受穿過電極57以撞擊在層52上的光線11的照射。每個光活性納米顆粒吸收從電極56引導到電極57或反之亦然，產生電偶極的光能。電位差因此在電極56與57之間生成。電位差引起的電流隨后可如本文上面進一步詳細所述由電接觸部分接。因此，層56和57用作電子和空穴注入接觸部，并且裝置50響應光而生成光電流。在本發明的各種示范實施例中，電極56與57的功函數不同。優選電極56的功函數低于電極57的功函數。襯底的功函數定義為將電子從襯底移到真空中所需的最低能量。根據本發明的優選實施例，層56是低功函數電極。在本文中使用時，術語"低功函數"指4.5eV或更低的功函數，更^尤選為4eV或更j氐。適合的低功函數材料包括但不限于堿金屬、第2A組或堿土金屬及包括稀土金屬和4阿系金屬在內的第III組金屬。還考慮在內的是第IB組金屬、在第IV、V和VI組中的金屬及第vm組過渡金屬。低功函數材料的更多特定示例包括但不限于鋰、鎂、鈣、鋁、銦、銅、銀、錫、鉛、鉍、、碲及銻。根據本發明的優選實施例，鋁，層57是高功函數電極。在本文中使用時，術語"高功函數"指4.5eV或更大的功函數，更《尤選為5eV或更大。適合的高功函數材料包括具有InSn02、Sn02和氧化鋅(ZnO)合金任意之一的材料。除這些合金外，Sn和Zn的氧化物也可包含在電極57的材料中。圖12示出電極56由鋁制成，并且電極57由ITO制成的優選實施例中的能級圖。在電極之間生成的內部電場很高，足以生成高于電子-陽離子對激子能量的電場。根據本發明的優選實施例，裝置50包括淀積在電極56上的介電層64。介電層具有顯露電極56的空腔66。在此實施例中，層52優選放在空腔66中，使得光活性納米顆粒在空腔基底接觸電極56,在空腔頂部接觸電極57。裝置50優選包括用于承載電極56和層64的襯底62。兩個或更多個電接觸部58優選連接到村底62或者在襯底62上形成。接觸部58與電極56和57電通信以便分接裝置50的電流。在本發明的各種示范實施例中，上述電子裝置(包括但不限于光電裝置、太陽能電池、光電二極管、光電晶體管、邏輯門、及光耦合器)的大小是在亞毫米范圍內。優選是電子裝置的大小從大約0.1nm到大約100jam,更優選的是從大約0.1nm到大約1jum。現在參照圖13a-b，它們是根據本發明的各種示范實施例的光電陣列60的示意圖。光電陣列60包括類似于裝置50,在例如硅村底等襯底62或諸如此類上以陣列方式布置的若干光電裝置。使用光電陣列的優點在于此類配置可有利于光電裝置的物理大小的提高以放大光生伏打信號。本發明的發明者發現此類光電陣列的尺寸可從一些微米到幾厘米。陣列60的光電裝置之間的電配置取決于所需的輸出。對于電流輸出，優選電配置是串聯的，而對于電壓輸出，并聯配置更優選。襯底62上的光電裝置的布置優選使得若干光電裝置共享相同的電極。這可在任何幾何布置中實現。例如，參照圖13b,兩個傳導層和將一層與另一層分開的介電層可淀積在坤十底62上。一個傳導層可包括例如電極56的類型的電極，并且另一傳導層可包括例如電極57的類型的電極。傳導層的電極優選以正交或任何其它非平行方向布置。裝置50的光活性顆粒被引入在一層的電極與另一層的電極之間相交處的介電層中形成的空腔，使得每個此類相交界定一個光電裝置。制造陣列60的優選工藝在下文參照圖16a-d提供。現在參照圖14和圖15a-d,它們是根據本發明的各種示范實施例，適合制造光電裝置方法的流程圖(圖14)和示意工藝圖(圖15a-d)。要理解的是，除非另有規定，下文所述方法步驟可以許多執行組合或順序同時或按順序執行。另外，下述一個或多個方法步驟是可選的，并且可不執行。方法在步驟70開始，并且可選和優選繼續到步驟71，在該步驟中，第一電極淀積在村底上。圖15a示出淀積在襯底62上的第一電極56。如上所述，第一電極優選是電子注入電極，可以根據需要能透光、反射光或吸收光。步驟71可在光刻和蝕刻后通過汽化執行。例如，金金屬可在二氧化硅層襯底上汽化。金層隨后可根據第一電極的所需形狀，通過光刻形成圖案。隨后，電極可通過蝕刻定形。方法繼續到步驟72,在該步驟中，如本文上面進一步詳細所述，光催化單元共價連接到第一電極以提供光活性納米顆粒的第一層。光活性納米顆粒的頂端優選包括傳導部分以允許連接其它光活性納米顆粒。方法隨后繼續到步驟73,在該步驟中，一層或多層的光活性納米顆粒連接到第一層電極(參見圖15b)，以提供多層的光活性納米顆粒。步驟73可重復一次或多次，這取決于裝置的光活性納米顆粒層的數量。步驟72優選包括空腔66的制造，例如，通過在第一電極56和襯底62的頂部的介電層64形成空腔。介電層可由適用于形成空腔的工藝的任何介電材料制成。例如，氮化硅層可淀積在第一電極的頂部，例如，使用化學汽相淀積(CVD)、物理汽相淀積(PVD)或原子層淀積(ALD)。空腔隨后可在介電層(在本示例中氮化硅)中在蝕刻前通過光刻形成。任何情況下，空腔66的形成使得第一電極56在空腔的基底上顯露，以允許在第一電極上吸收光活性納米顆粒。優選的吸收技術取決于光活性納米顆粒的類型。在本發明的各種示范實施例中，采用了光誘導吸收。在納米顆粒包括具有經修飾多肽的光催化單元時，納米顆粒經在經修飾位點的氨基酸連接到第一電極。例如，硫醇化PSI納米顆粒可經其好u醇部分連接以形成穩定的定向自組裝單層(SAM)。光誘導吸收可用于將PSI納米顆粒吸收到密集層。到裝置第二電極的化學鍵合可通過由PSI單層光致還原溶液中的Pt"離子而加以改進。此類過程更早用于在懸浮液中的PSI鍍鉑[Millsaps,J.F.;Bruce，B，D.;Lee，J.W.;Greenbaum，E.PhotochemistryandPhotobiology2001，73,630-635]。該過程在蛋白的電子供體末端產生了Pt的局部淀積。鍍鉑單層與PSI半胱氨酸突變體的新溫育促使在PSI的半胱氨酸與單層的鍍鉑頂部形成硫化物鍵而形成第二定向SAM。這些循環優選重復進行以便在空腔內形成定向多層(參見圖15c)。方法繼續到步驟74，在該步驟中，第二電極淀積在光活性納米顆粒層上(參見圖15d)。如上所述，第二電極優選是空穴注入能透光電極，并且只要它能夠充當陽極以便將空穴注入納米顆粒層，它便可以是任何電極。優選是第二電極包括可通過濺射、電子束汽相淀積、離子電鍍、間接汽相工藝等淀積的ITO。在本發明的各種示范實施例中，ITO簇通過相對非常低的動量和溫度淀積在納米顆粒上，以便防止納米顆粒損毀或將其降到最低。方法結束于步驟75。現在參照圖16a-d，它們是根據本發明的各種示范實施例，用于光電陣列的優選工藝的示意圖。參照圖16a，例如電極56類型的多個電極淀積在襯底62上。淀積電極的技術可類似于上述的技術。例如，傳導層可在襯底上汽化，并且在蝕刻前可采用光刻以在汽化層上形成電極。在圖16a所示的簡化示圖中，電極56方便地形成多個平行條帶，但它無意排除用于電極的任何其它形狀。參照圖16b-c，介電層64淀積在電極56的頂部，并且如本文上面進一步詳細所述，在蝕刻前通過光刻，多個空腔66在介電層64中形成以顯露電極56。一旦空腔形成后，如本文中上面進一步詳細所述，納米顆粒便可引入空腔。例如電極57類型的多個電極隨后淀積在層64上以便接觸空腔66中的納米顆粒。電極57在圖16d中示為大致與電極56正交的多個平行條帶。在空腔中的納米顆粒將電極56與57互連的情況下，用于電極57的其它形狀也考慮在內。在查看下面無意于限制的示例時，本領域的技術人員將明白本發明的另外目的、優點和新穎特性。另外，如上所述和如下面權利要求下面示例中的實驗支持。實施例現給出以下實施例，這些實施例與以上描述內容一起，以非限制性方式說明本發明。基本上說，本文所用的術語和本發明所用的實驗程序包括分子技術、生物化學技術、微生物學技術和重組DNA技術。這些技術在文獻中有詳盡的說明。參見例如"MolecularCloning:AlaboratoryManual"Sambrooketal.，(1989);"CurrentProtocolsinMolecularBiology"VolumesI-IIIA應bel,R.M.，ed.(1994);A誰beletal.,"CurrentProtocolsinMolecularBiology",JohnWileyandSons,Baltimore,Maryland(1989);Perbal,"APracticalGuidetoMolecularCloning",JohnWiley&Sons,NewYork(1988);Watsonetal.,"RecombinantDNA",ScientificAmericanBooks,NewYork;Birrenetal.(eds)"GenomeAnalysis:ALaboratoryManualSeries",Vols.1-4,ColdSpringHarborLaboratoryPress,NewYork(1998);美國專利第4,666,828號、第4,683,202號、第4,801,531號、第5，192，659號和第5,272，057號所給出的方法；"CellBiology:ALaboratoryHandbook",VolumesI-IIICellis，J.E.，ed.(1994);"CultureofAnimalCells-AManualofBasicTechnique"byFreshney，Wiley-Liss,N.Y.(1994),ThirdEdition;"CurrentProtocolsinImmunology"VolumesI-IIIColiganJ.E.,ed.(1994);Stitesetal.(eds),"BasicandClinicalImmunology"(8thEdition),Appleton&Lange,Norwalk，CT(1994);MishellandShiigi(eds),"SelectedMethodsinCellularImmunology",W.H.FreemanandCo.,NewYork(1980);可使用的免疫測定法在專利和科學文獻中廣為報道，參加例如美國專利第3,791,932號、第3,839,153號、第3,850,752號、第3,850,578號、第3,853,987號、第3，867，517號、第3，879，262號、第3,901,654號、第3,935,074號、第3,984,533號、第3,996,345號、第4,034,074號、第4,098,876號、第4,879,219號、第5,011,771號和第5,281,521;"OligonucleotideSynthesis"Gait,M.J.，ed.(1984);"NucleicAcidHybridization"Hames，B.D.,andHigginsS.J.，eds.(1985);"TranscriptionandTranslation"Hames,B.D.,andHigginsS.J,,eds.(1984);"AnimalCellCulture"Freshney,R.I.，ed.(1986);"ImmobilizedCellsandEnzymes"IRLPress,(1986);"APracticalGuidetoMolecularCloning"Perbal，B.,(1984)and"MethodsinEnzymology"Vol.1-317,AcademicPress;"PCRProtocols:AGuideToMethodsAndApplications",AcademicPress,SanDiego,CA(1990);Marshaketal.，"StrategiesforProteinPurificationandCharacterization-ALaboratoryCourseManual"CSHLPress(1996);所有這些文獻和專利都通過引用結合到本文中，如同在本文中完整給出。其他的一般參考文獻在本說明書通篇中有提供。認為這些參考文獻中所述的程序是本領域所公知的，僅為了讀者的方便而提供。這些參考文獻中所含的所有信息都通過引用結合到本文中。示例1絲漠尸CC拜必奴輛W選擇集胞藻PCC6803這一藍細菌的強大PSI反應中心，來確定遺傳修飾是否有助于反應中心向固相載體的連接。這一PSI的結構穩定性的主要原因在于，所有的葉綠素分子和類胡蘿卜素都整合到核心亞單位復合物中，而在植物和其他細菌反應中心中，天線葉綠素結合到與核心亞單位連接的葉綠素-蛋白質復合物。為使PSI共價連接到金表面所作的對要修飾成半胱氨酸的氨基酸的選擇，是基于有關PSI的原子結構的知識。因此，將朝向細菌細胞膜的細胞質一側的膜外環中的、當放在固體表面上時不會有立體位阻的氨基酸突變成半胱氨酸，以確保二石克4定的形成。將各個突變選#^在P700的附近，以確保反應中心和金電極之間緊密接近，從而促進有效的電接合。方法和材料遞《/^源f逸^桌^漠戶CT6卯3W/w"5*//入蘢f:psaB基因中的定點誘變是通過同源重組來實現。將1.8kbpsaB基因片段和1.1kb下游側翼區插入到pBluescriptIIKS載體中(參見圖1A-C的方案)。按之前的描述[Zengetal.,Biochim.Biophys.Acta2002,1556254-264]，從pUC4K切取1.27kb卡那霉素抗性賦予基因(KanR)并插入在側翼開始處的EcoRI位點，構建出載體pZBL。用重疊延伸PCR[Hoetal.,Gene1989,7751-59]構建含有突變的延伸片段1400bp,載體pZBL-D479C、pZL-S499C、pZBL-S599C、pZBL-Y634C、pZBL陽D235C和pZBL-S246C分別在限制位點SphI-HpaI和SphI-SacI通過片段交換來構建。下表4給出用于產生本發明多肽的引物。<table>tableseeoriginaldocumentpage45</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage46</column></row><table>另外，使用上述的同樣技術，還在PsaC中的W31C處插入單突變，在PsaB中插入兩個雙突變(D235C/Y634C和S246C/Y634C)。為選擇psaB缺陷型受體細胞，通過切除psaB的下游端(pZBL的Sphl到EcoRI)的1.3kb和在這些位點插入1.3kb氯霉素抗性賦予基因(CmR),構建出pBLAB載體(圖1C)。用pPLAB轉化野生型集胞藻細胞，使轉化子在"光適應異養(lightadaptedheterotrophic)"條件下生長[Zengetal.,Biochim.Biophys,Acta2002,1556254-264]，以表達D479C突變多肽(SEQIDNO:20)、S499C突變多肽(SEQIDNO:21)、S599C突變多肽(SEQIDNO:22)、Y634C突變多肽(SEQIDNO:23)、D235C突變多肽(SEQIDNO:24)、S246C突變多肽(SEQIDNO:25)和W31C突變多肽(SEQIDNO:26)。類發糸應弄^y/《合參W為、庠將集胞藻細胞在弗氏壓碎器中在500p.s丄下進行破碎，通過差速離心分離類嚢體。通過去污劑n-十二烷基-P-D-麥芽糖苷使PSI增溶，并在DEAE-纖維素柱上和蔗糖梯度上纟屯4b[Nechushtai,R.，Muster,P.,Binder,A.,Liveanu,V.，andNelsonN.(1983)Proc.Natl.Acad.Sci.USA80,1179-1183]。按之前的描述[Laemmli，U.K.(1970)Nature227，680-685;Tindall,K.R.andKunkel,T.A.(1988)Biochemistry27，6008-6013]，通過SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳和蛋白質印跡法對亞單位組成進行分析。對于膜中的蛋白質，按之前的描述[Lowry，O.H.,Rosenbrough,N.L.,Farr，A.L，andRandall,R.J.(1951)J.Biol.Chem.193，265-275]，在1%SDS中增溶后進行測定。葉綠素濃度和P700化學和光氧化按公布的方法[Arnon，D.I.(1949)PlantPhysiol.24,l-15]進4亍測定。[Gongetal"JournalofBiologicalChemistry2003,27819141-19150]中總結了詳細的分離程序和分析。分析證實分離產物是純化的PSI蛋白質葉綠素復合物。通過能與巰基基團特異性反應的生物素-馬來酰亞胺，探測PSI上的暴露于表面的半胱氨酸。將生物素標記的PSI復合物解離和通過十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳分離。對于免疫印跡檢測，按之前的描述[Sunetal"MethodsinEnzymology,AcademicPress,1998,p.pp.124-139]，將蛋白質樣品從凝膠轉移到硝酸纖維素，與過氧化物酶綴合的親和素反應，然后用增強化學發光試劑顯色。結果如圖1E所示，所有的經修飾純化PSI單元都包含暴露于表面的半胱氨酸。盡管非經修飾的蛋白質含有9個游離半胱氨酸，但當用表面活性試劑生物素-馬來酰亞胺試驗時，發現它們沒有一個暴露于外表面。示例2定々一i^斧/造方法和材料制造通過將突變體PSI中半胱氨酸與新鮮、干凈的親水金表面直接反應以形成Au-硫化物鍵，執行定向單層的制造。通過在玻璃或硅晶片上汽化5nm的鉻和150nm的金，制備好平整的金表面。這些表面在真空下在350。C退火1小時。在lml中包含PSI的lmg葉綠素的緩沖溶液在金屬表面上分層以便溫育。室溫下在溫育突變或天然PSI兩小時后，未連接的蛋白通過蒸餾水沖洗幾次，完全被洗盡。使用超純氮晾干表面，并且使用原子力顯微術(AFM)觀察表面。力i凝^0FM,所有測量通過一種商用AFM(帶Extender電子模塊的NanoscopeIliaMultyMode,VeecoInstruments)進行。形貌測量在300kHz的懸臂諧振頻率處以輕觸模式進行。結果PSI突變體在退火后的金表面上自組裝，并在兩小時溫育后保持共價連接到金表面。從金表面沖走以類似方式溫育的天然PSI。圖2B示出通過掃描玻璃晶片上0.3jum2的金表面面積而獲得的原子力顯微術圖像，PSI半胱氨酸突變體D479C的單體通過硫化物鍵連接到該晶片。圖2B清晰地示出直徑15-21nm,高9nm的顆粒單層。這是如通過結晶學獲得的PSI的預期大小。這些顆粒在輕度顆粒化的表面上看到。圖2A示出經退火未處理的棵金表面的掃描，退火的金顆粒直徑為150nm，高5nm。示例3i^/尤f脊斧/造^面W^冶在虞'^單層中半胱氨酸突變體D479C的單PSI三聚體和單體復合物的光電壓通過開爾文探針力顯微術(KPFM)測量得出。才才泮牛和方法KPFM設置是基于在輕觸模式操作的一種商用AFM(經修改的NanoScopeIIIaMultiMode，Veeco,USA)。靜電力在所謂的"抬起模式(liftmode)"中測量。基本上，在測量形貌后，從樣本表面將尖端(tip)縮回到固定的高度。壓力誘導的尖端振蕩停止，并且AC偏壓在以前用于在輕觸模式中形貌測量的相同頻率應用到懸臂。通過使測量第一諧振頻率處的靜電力的鎖定放大器的輸出信號歸零，以常頭見方式"l是取CPD[Vateletal.,JournalofAppliedPhysics1995,772358-2362]。在1Hz掃描速率的順序掃描中記錄AFM形貌和對應的KPFM電位；在相同區域上的兩個段中掃描512行以形成二維圖像。氦氖激光器(入=632.8nm，5mW/cm2)為掃描的第一段打開，為第二段關閉。結果如圖3A和3B中所示，KPFM圖像顯示了在突變PSI復合物中清晰的光誘導電位。在形貌跡線(圖3A和3B)中觀察到由PSI復合物引起的峰處形成的+0.498±0.02V(參見下面的表1)的光誘導正電位。這些結果清晰地指示結合到金表面的所有突變PSI復合物在功能上是活性的，并且在相同的方向定向。誘導的電勢是如圖ID所示從PSI金側移走負電荷的結果。光照下測量的接觸電位差(CPD)中的變化良好地吻合了在相對表面法線的角度^由高度d的誘導偶極層產生的電位變化(Z10)的簡單計算，表示為=~"0"",其中，〃是偶極層的面積密度，《是基本電荷，并且s是層介電常數。對三聚體使用2.2xl0"cm々的見d=5nm,￡=2，并且6^90°,我們得到zl^0.41伏。由于層中偶極的角度未知，并且因為偶極層不是大塊實體，因而，介電常數也是定義不佳的屬性，因此，預計的+1V與計算得出的0.41V之間的差異得以部分判定。另外，由于反應中心相互之間較遠，因此，光照下測量的CPD比實際CPD小得多。由于長距離靜電力的原因，在尖頂下表面上的點處測量的CPD是在尖端附近的表面電位的加權平均。尖端靜電求平均的效果已在過去使用的不同算法中計算得出[Y.Rosenwaksetal.，PhysicalReview52004,70085320-085327]。基于這些計算，估計CPD(在光照下)更準確的數量是大約比測量的數量兩倍大。類似的光誘導電位在位于涂有巰基乙醇的金上的植物PSI中測量[I.Leeetal.，J.尸/^.a，.S2000,7^2439-2443]。在這些實驗中，PSI通過松散結合的單層中的巰基乙醇與金隔離，并且只有70%的復合物假設定向相同。金表面功函數在光照期間也增大大約+0.125V。預計部分電荷轉移到位于PSI和金屬界面的光氧化P700附近，從而產生更多的負襯底。電荷轉移指示了金與PSI之間的有效電子耦合。然而，在對未處理的金表面光照時，CPD的變化很小。也可以看到，在無光時PSI復合物具有比金襯底稍微更大的正電位(+0.2V的CPD)(圖3B)。此電位可由KPFM設置中使用的懸臂未完全掩蔽的AFM反饋激光器激發PSI產生。此類背景激發可導致低估PSI中亮減暗(lightminusdark)CPD變化。通過觀察關閉光照時的電位變化，也顯示了光誘導電位的可逆性。下面本文的表5中提供了結果。這些值代表了在光照或無光下測量的24個單獨PSI復合物的平均電位。<table>tableseeoriginaldocumentpage50</column></row><table>測量先在光照時開始，然后關閉光(亮至暗)，或者在暗時開始，然后光照被打開(暗至亮)。如表5中詳細所示一樣，單層中的PSI半胱氨酸突變體的光照三聚體形成了+1.220土0.02V的CPD,在關閉光時該CPD降低到+0.870±0.003V(參見圖4B)。襯底電位在光關閉時未變化。在實驗中應用偏置電位的情況下，電荷無法從PSI附近快速移到障礙金襯底(balkgoldsubstrate)。因此，關閉光時，亮減暗CPD(SPV)比打開光時的差更小(表5)。多個PSI復合物的平均亮減暗電位差是+0.358±0.014V。在顯露金表面之處的接觸電位無變化。光電位可在相同樣本上或在存儲超過一個月的樣本上重復再現多次。半胱氨酸突變體D479C的PSI單層容易形成自組裝的定向單層。單層中單體(圖2B)與三聚體(圖5B)之間的平均距離分別是15nm和25nm。單層中小的單體比三聚體填塞更密集，它們可通過具有高分辨率的懸臂尖端的AFM測量解析(圖2B)。然而，形貌或CPD測量均不夠敏感，無法解析各個單體。因此，在PSI單體單層無光下通過KPFM測量獲得的CPD描述了連續性(圖5A)。在通過相同的設置(未示出)確定形貌時觀察到類似的圖像。然而，在光照后，CPD增大。在單層上無光和有光情況下多個位置的CPD測量的平均值產生了+0.356土0.001V的光誘導CPD(表5)。在關閉照亮的單層確定變化時，觀察到+0.311±0.001V的更小光誘導CPD。示例4W玄f戯虔妙斜《錄定向PSI的自組裝也通過三種其它突變體獲得，其中，位于顯露的膜外環的氨基酸S499C、S599C、Y634C修飾為半胱氨酸(參見圖1D)。這些突變體的PSI的單體和三聚體形成單層，形成的單層生成與通過突變體D479C制造的單層中測量的幅度類似的光誘導CPD。因此，PSI的功能定向單層取決于位于復合物的膜外環的半胱氨酸之間硫化物鍵的形成，并且不限于特定位置。示例5iiy/吵逸^,iW訪力^^f為表征psi復合物中電子轉移上突變的效應，通過單翻折分光鏡測量閃光誘導吸收變化。材料和方法在類嚢體和PSI中在700nm和在820nm的P700光氧化的測量使用了如前面所述的修改的閃光光降解設置[Gongetal.,JournalofBiologicalChemistry2003,27819141-19150]。樣本包含25mMTris，pH8,10mM維生素C鈉、10|uM吩。秦硫酸曱酯和60葉綠素1/mlPSI復合物。通過使用Marquardt最小二乘方算法程序擬合多指數衰變，分析吸收變化瞬態(KaleidaGraph3.5fromSynergySoftware,Reading,PA)。結果P700的光誘導氧化導致在700nm的吸收降低，或者在820nm的吸收增大。從突變體D479C分離的PSI蛋白中閃光誘導瞬態AA820(以及在AA700nm，未示出)顯示了與如在野生型中類似的結果，帶有4.5ms半衰期逆反應，這可歸因于通過電子轉移中介體吩溱辟u酸甲酯的P700+的還原(圖6A)。對S499C和S599CPSI復合物得到了類似的結果。結果表明電子在突變的PSI中介導于FVFB。如果在到FA/FB的介導中有干擾，并且P700+的還原將是位于Fa/Fb之前的栽體的還原結果，則重組的速率將比4.5ms更快。實際上，突變體S599C吸收衰變解析成4.5ms(85%)和0.5ms(15%)的兩個組成部分，指示部分電子轉移只達到Fx，導致P700+與Fx之間的電荷重組[K.Brettel，Biochim.Biophys.Acta1997,1318322-373]。野生型與突變體的電荷重組之間的電荷重組速率的類似性指示定點誘變不會改變光誘導電子轉移的作用模式。這些結果吻合突變體可能在持續光照下自養生長的實際情況。示例6遞^AT*趟'資義確定定47材料和方法a:^^4'威炎灑^^x射線吸收和熒光在伊利諾斯州阿爾貢的阿爾貢國家實馬t室(ArgonneNationalLaboratories,Argonne,IL)AdvancedPhotonSource的BioCAT設備波蕩器束線Sector18ID-D收集。線束通過雙si(m)晶體單色儀饋入，而諧波抑制通過使用諧波抑制反射鏡獲得。集中的線束大小為100|amxl50)Lim，在l(T4DE/E帶寬中每秒10"光子的流量。入射X射線束密度/0由填充N2氣體的離子室監視，并且X射線熒光由多層陣列檢測器監視。Fe尺-邊在7000eV與7900eV的X射線能量之間被掃描。為將輻射損壞降到最低，在100K的PSI的樣本上在每個角度進行60s掃描。結果在自組裝單層中的PSI定向由掠射X射線熒光的總反射測量確定。PSI通過在硅襯底上方的鴒碳多層上獨特的半胱氨酸與鴒之間形成的硫化物鍵而連接。每個圖是距X射線束法線25、45、60和90度所示角度中60,42s掃描的平均值。如圖6B所示，X射線熒光A:-邊作為相對于極化X射線束的角度變化的函數而變化。在PSI和鐵硫簇相對于硅襯底平面定向時，預計發生此類變化。三個[4Fe-4S]鐵硫簇的每個簇形成在中心和沿PSI偽C2對稱軸兩側的扭曲立方體[P.Jordan,etal.，Nature2001,411909-917]。因此，極化X射線束的吸收消光預計作為PSI偽對稱軸與極化線束的角度的函數來變化。實際上，鐵硫簇的定向通過電子順磁諧振更早在部分定向的類嚢體膜中確定[R.C.Prince,BiochimicaetBiophysicaActa(BBA)Bioenergetics1980，592323-337]。結論從藍細菌選擇穩固的反應中心PSI及基于結晶結構的突變合理設計能夠在傳導金屬表面上制造定向單層，這是第一次在本文中證實。通過在突變誘導的獨特半胱氨酸之間形成硫化物鍵，蛋白復合物直接結合到金屬電極保證了可靠性、定向、功能和有效的電子接合。單層中的干膜蛋白保持其能力以生成大約+lV的光電位。光電二極管屬性、納米級尺度、高量子產出及幾乎60%的能量轉換效率使反應中心成為應用在分子電子學和生物技術的極具吸引力的納米技術裝置。示例7差fP51/按照本發明的優選實施方案，將光活性PSI納米顆粒結合到固態模板中。發現集胞藻PCC6803這一藍細菌的強大PSI反應中心當共價鍵合到金屬時是穩定的。這一PSI的結構穩定性的主要原因在于，所有的葉綠素分子和類胡蘿卜素都結合到核心亞單位復合物中，而在植物和細菌反應中心中，天線葉綠素結合到與核心亞單位連接的葉綠素-蛋白質復合物。不需要肽表面活性劑來進行穩定化。為使PSI共價連接到金表面所作的對要修飾成半胱氨酸的氨基酸的選4奪,是確保自裝配的定向PSI的結構和功能穩定性的第二個因素。將朝向細菌細胞膜的細胞質一側的膜外環中的、當放在固體表面上時不會有立體位阻的氨基酸突變成半胱氨酸(D479C、S499C、S599C、Y634C),以確保二硫鍵的形成。突變沒有改變經分離的PSI的光化學特性和亞單位組成。定向的單層是通過使突變體PSI中的半胱氨酸直接與新的、清潔的、親水的金表面反應形成Au-二硫4建來制作。單層的定向和光活性由單層中的半胱氨酸突變體的單PSI三聚體的開爾文探針力顯^:術(KPFM)來測量。圖17a-b是定向單層的二維空間(圖17a)和電位(圖17b)圖。圖像是關于在Au-Si表面上來自突變體D479C的同一套PSI反應中心三聚體。圖17c示出在光照下的結合PSI。構建圖像的每個光柵的掃描方向是從上至下(由亮至暗)。光照由氦氖激光器提供，為632.8nm，5mW/cm2。圖像示出直徑15-21nm、高9nm的顆粒密集單層，這是如通過結晶學獲得的PSI的預計大小。光誘導電位增強了對金屬的親和力，導致形成了更密集的單層。KPFM圖像顯示了在PSI中清晰的光誘導電位。在觀察到由于PSI復合物引起的峰處，形成+1V的光誘導正電位。這些結果表明結合到金表面的所有PSI復合物在功能上是活性的，并且在相同的方向定向。誘導的電勢是從PSI金側移走負電荷的結果。在關閉光照時觀察電位變化的實驗中，顯示了光誘導電位的可逆性。多個PSI復合物的平均亮減暗電位差也大約是1V。光電位在相同樣本上或在存儲超過一個月的樣本上重復再現多次。示例8^法#射|覆在"關#定/^^根據本發明的優選實施例，制備了由PSI的矢量定向層形成的結構。PSI層以串聯方式電連接。制備的結構具有許多優點。它可增大吸收截面，增大電子輸出，并降低頂部與底部電極之間的短路風險。已經顯示的是[Millsaps,supra]金屬鉑可沉淀在從PSI反應中心電子出現的位置。鍍鉑工藝(PtCl6)2-+4e+Av=P"+6C1陽，在pH7且室溫下進行。用于還原的電子源是來自光激活PSI反應中心本身的還原電子。Pt沉淀在金表面上作為定向單層組裝的PSI的還原末端上。單層的AFM圖像顯示，PSI的大小由于鍍鉑而稍微增大(圖18a和18c)。然而，相位對比圖像顯示在每個PSI頂部的金屬(圖18b和18d)。單層的XPS分析指示相比于在鍍鉑單層中每PSI有305個Pt原子，而在未處理PSI單層中不存在。計算是基于假設每PSI有16800個碳原子的1/50Pt/C比率的結果。通過PSI的有序結合和鍍鉑執行在固體金表面上PSI矢量定向多層的形成。初始單層通過在金屬表面和突變PSI中獨特半胱氨酸之間形成硫化物鍵來制造。沖洗的單層放置在(PtC16f溶液中，并在PSI鍍鉑前一直受到光照。鍍鉑單層被沖洗，并再次在PSI半胱氨酸突變體溶液中溫育以便通過與PSI復合物頂部的鉑斑形成硫化物鍵而結合。此工藝重復進行若干次，并且PSI新層的形成及其鍍鉑受AFM監視，并且在相位對比方面發生變化。單層的厚度通過橢率測量術確定，Pt含量通過XIPS確定，并且功能通過使用KPFM顯微鏡測定光電位確定。鍍鉑允許形成矢量定向的單層和串聯組裝的光系統之間良好的電子耦合。PSI單層生成的光電流的電化學測量在三電極配置中進行。工作電極、Pt反電極和Ag/AgCl，1MKC1參考。工作電極由150W白熾幻燈機光照。工作電極處的電位設為相對Ag/AgCl電極在-0.4與0.04V之間。介質包含0.1Mtris-HCl,pH7.5和0.05mM曱基紫精以便介導PSI與電極之間的電子。在金電極上通過PSI單層測量到0.065mA/Cm2的高光電流(圖19)。通過鍍鉑PSI單層得到類似的結果。由于根據本發明實施例教導的PSI的直接結合，獲得的光電流比通過細菌反應中心的定向單層獲得的30nA/Cm2大2160倍[Trammell:supra]o示例9垂直原型裝置根據本發明實施例的教導制造。原型裝置的物理尺寸變大以放大太陽能信號。為進行光生伏打測量，采用了多單元陣列架構。此多功能架構允許利用和測量單個單元的光電屬性(垂直線和水平線之間的相交處)，以及測量串聯或并聯配置中布置的多個單元和陣列的輸出光電壓和電流信號。通過改變經探針臺設置連接單元的焊盤之間的電連接，實現了此靈活性。制造工藝開始是在二氧化硅層(硅晶片)頂部以100-200nm汽化金金屬。金金屬用作裝置的底部電極。電極的形狀通過光刻界定，并且通過濕1/r蝕刻產生(圖20a-c)。隨后，通過使用CVD在金電極頂部淀積50nm的Si3N4，形成介電平臺層。在蝕刻前通過電子束光刻，在Si3N4平臺中形成達到金電極的正方形空腔。隨后，將PSISAM引入形成的空腔中，并且通過濺射技術淀積ITO電極以在空腔內將PSI封裝。由此制造的原形在圖21中示出。該濺射是通過DavidCahen教授(WeizmannInstitute,Israel)開發的專門技術。才艮據此沖支術，以相對非常^f氐的動量和溫度將ITO簇淀積在SAM上。此類條件防止損毀SAM。頂部電極隨后通過光刻和濕蝕刻界定。圖22示出用于原型裝置光電導性實驗的設置。裝置的測量通過使用連接到Keithley低電流源測量單元的Desert-cryogenics探針臺來執行。輸出功率50和100瓦的白色光源(在樣本產生類似太陽輻照的1kW/m2)用于啟動光電導性過程。圖23示出作為電壓函數的電流的測量(I/V)。如圖所示，在無光情況下I/V測量顯示了兩個背對背二極管屬性。光電壓信號的缺乏可解釋為接觸部之間的低內部電場(ITO與Au之間的功函數差較小)和由于濺射ITO與PSI層之間的界面的影響。光照下的1/V測量產生了清晰的光電導性效應，平均輸出電流為0.3A/Cm2。這些結果顯示了光活性、低肖特基墊壘和通過兩個電極的接合的良好電耦合。可理解的是為簡明起見，在單獨實施例的上下文中描述的本發明的某些特性也可在單個實施例中組合提供。相反，為簡潔起見在單個實施例上下文中描述的本發明的各種特性也可單獨或在任何適合的次組合中提供。雖然本發明已結合其特定實施例進行了描述，但明顯的是本領域的技術人員將明白許多備選、修改和變化。相應地，要將在隨附權利要求精神和廣義范圍內的所有此類備選、修改和變化包涵在內。本說明書中提及的所有出版物、專利和專利申請通過引用完全結合在說明書中，好象每個單獨的出版物、專利或專利申請明確、分別指示為通過引用包括在其中一樣。另外，本申請中的任何參考文獻的引證或標權利要求1.一種包括第一電極、第二電極和在所述第一電極之間插入的至少一層光活性納米顆粒的光電裝置，其中至少所述第一電極和所述第二電極之一能透光，并且其中所述光活性納米顆粒包括共價連接到光合生物的光催化單元的傳導固體表面。2.如權利要求1所述的裝置，其中所述第二電極能透光，并且表征所述第二電極的功函數高于表征所述第一電極的功函數。3.如權利要求1所述的裝置，還包括淀積在所述第一電極上并在其中具有包含所述至少一層光活性納米顆粒的空腔的介電層，其中在所述空腔的基底顯露所述第一電極。4.如權利要求3所述的裝置，還包括襯底，所述村底承載所述第一電極和所迷介電層并且其上具有至少兩個電接觸部，每個電接觸部與所述第一電極和所述第二電極之一電通信。5.如權利要求1所述的裝置，其中所述光催化單元包括具有光合生物的光催化單元的多肽的氨基S踏列的經修飾分離多肽。6.如權利要求5所述的裝置，其中所述光合生物的所述光催化單元包括PSI。7.如權利要求5所述的裝置，其中所述光合生物的所述光催化單元包括集胞藻(Synechosystissp.)PCC6803光催化單元。8.如權利要求5所述的裝置，其中所述光合生物是綠色植物。9.如權利要求5所述的裝置，其中所述光合生物是藍細菌。10.如權利要求5所述的裝置，其中所述光催化單元的所述多肽的所述氨基酸序列包含至少一個置換突變。11.如權利要求10所述的裝置，其中所述置換突變是在所述光催化單元的膜外環上。12.如權利要求5所述的裝置，其中所述多肽的所述氨基酸序列是psaB。13.如權利要求5所述的裝置，其中所述多肽的所述氨基酸序列是psaC。14.如權利要求12所述的裝置，其中所述PsaB在至少一個由坐標D235C、S246C、D479C、S499C、S599C、Y634C界定的位置中包含置換突變。15.如權利要求12所述的裝置，其中所述PsaC在至少一個由坐標W31C界定的位置中包含置換突變。16.如權利要求IO所述的裝置，其中所述至少一個置換突變是半胱氨酸。17.—種包括布置在村底上的如權利要求1所述的多個光電裝置的光電陣列。18.如權利要求n所述的光電陣列，其中至少一些所述光電裝置共享所述第一電極。19.如權利要求17所述的光電陣列，其中至少一些所述光電裝置共享所述第二電極。20.如權利要求17所述的光電陣列，其中所述多個光電裝置包括具有多個電極的第一傳導層，每個所述電極用作所述第一電極；淀積在所述第一層上并在其中形成有多個空腔的介電層，其中所述多個空腔的每個空腔置于所述第一層的電極上方，并且包括所述至少一層光活性納米顆粒；以及淀積在所述空腔上方并具有多個電極的第二傳導層，每個所述電極用作所迷第二電極。21.—種制造光電裝置的方法，包括共價連接光合生物的光催化單元到至少一個第一電極，由此在所述至少一個第一電極上提供光活性納米顆粒層，并且在所述光活性納米顆粒層上淀積至少一個第二電極。22.如權利要求21所述的方法，還包括在所述光活性納米顆粒層上連接至少一個另外的光活性納米顆粒層。23.如權利要求21所述的方法，還包括在襯底上淀積所述至少一個第一電極。24.如權利要求21所述的方法，還包括在所述至少一個第一電極上淀積介電層并在所述介電層中形成空腔以便顯露所述至少一個第一電極。25.如權利要求21所述的方法，其中所述連接所述光催化單元通過光誘導吸附實現。26.如權利要求21所述的方法，其中所述第二電極的所述淀積包括濺射淀積。27.如權利要求21所述的方法，其中所述第二電極的所述淀積包括間接汽化。全文摘要本文公開了一種包含氨基酸序列的經修飾的分離多肽，該序列編碼能夠共價連接到固體表面并在連接到固體表面時具有光催化活性的光合生物的光催化單元。文檔編號H01L51/46GK101595577SQ200780038624公開日2009年12月2日申請日期2007年8月22日優先權日2006年8月22日發明者C·卡梅利,I·卡梅利,L·弗羅洛夫,S·里克特申請人:特拉維夫大學拉莫特有限公司