产生葡萄糖的电化学方法和系统的制作方法
【专利说明】产生葡萄糖的电化学方法和系统 发明领域
[0001] 本发明涉及产生葡萄糖的方法和系统，具体地，本发明涉及利用水、二氧化碳、电 磁能量、黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物或黑色素变体来产生葡萄糖。
[0002] 发明背景
[0003] 葡萄糖是单糖，其化学通式为C6H12〇6。葡萄糖是食物链的基本分子，并且是许多生 物的主要能量来源，一个产生葡萄糖的经充分研究的过程是植物的光合作用。
[0004] -般来说，光合作用是将光能转化为化学能的过程。更具体地，通过光合作用，植 物利用光能，将二氧化碳(co2)和水(H20)转化为氧气(〇2)和葡萄糖。该过程的另一重要成分 是被称为叶绿素的色素。叶绿素通过吸收光能或光子，从而启动光合作用。对于每一个吸收 的光子，叶绿素会失去一个电子，产生电子流，其随后产生必要的能量，以催化裂解水为氢 离子或质子(H+)和02。所得的质子梯度用来产生三磷酸腺苷(ATP)形式的化学能。该化学能 随后用于将二氧化碳和水转化为葡萄糖。
[0005] 与叶绿素相似，黑色素也属于色素。黑色素由氮、氧、氢和碳组成，然而其确切的结 构并未被完全阐明。黑色素在自然界普遍存在，并且其合成方法在文献中已知。许多年来， 黑色素除了被认为是等同于2%的硫酸铜溶液的具有低保护因子的简单防晒品之外，其本 身没有生物或生理功能。黑色素还被认为是最黑的分子，因为它能够吸收几乎所有波长的 能量，但是它似乎并不释放任何能量。该特性对于黑色素来说是独特的，其与热力学定律相 矛盾，因为其他能够吸收能量的化合物(尤其是色素）能够释放一部分的吸收能。黑色素的 电子性能由此成为相当长一段时间关注的焦点。然而，黑色素为人们已知的最为稳定的化 合物之一，并且很长一段时间，似乎黑色素并不能催化任何化学反应。
[0006] 近年来，人们发现了黑色素能够吸收能量，并且利用吸收的能量裂解、重构水分子 的固有特性。因此，黑色素吸收所有波长的电磁能(包括可见和不可见的光能），它能够借助 水裂解以及随后的重构来消散这种吸收的能量。用黑色素及其类似物、其前体、其衍生物或 其变体将水裂解为氢和氧的光电化学过程，在美国专利申请号为US 2011/0244345的专利 申请中有所描述。
[0007] 不希望受任何理论束缚，据信，黑色素的反应如下述方案I所示。
[0009] -旦吸收电磁能（可见或不可见），黑色素就催化水裂解为双原子氢(H2)、双原子 氧(〇2)和电子(e)。尽管水裂解为氢和氧会消耗能量，然而该反应是可逆的，并且在逆向反 应中，氧原子在双原子氢的还原下，重新形成为水分子，释放能量。
[0010]因此，黑色素可以将光能转化为化学能，与植物在光合作用过程中利用叶绿素将 光能转化为化学能类似。因而，基于类似的效果，我们将该过程命名为为"人工光合作用"。 然而，黑色素参与的水裂解反应与叶绿素参与的水裂解反应至少有2个重要方面的不同之 处。其一，叶绿素不能催化水分子重构的逆向过程。其二，叶绿素催化的水裂解反应只能在 活细胞中进行，并且需要波长范围400nm-700nm的可见光。因此，随后葡萄糖的生成也只能 在活细胞内进行。相比之下，黑色素可以利用任何形式的电磁能（尤其是波长在200nm - 900nm之间的光能(可见或不可见））在活细胞外水解、重构水分子。
[0011] 发明概述
[0012] 现在已发现，一旦吸收电磁能，例如不可见或可见的光能，黑色素可以裂解或重构 水分子，并且随后催化二氧化碳(c〇2)和水生成葡萄糖的反应。
[0013]本发明涉及电化学方法和系统，其利用黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色 素类似物以及黑色素变体将二氧化碳(C02)和水生成葡萄糖。根据本发明的实施方式，可以 利用黑色素将二氧化碳(C02)和水生成葡萄糖，仅额外需要一种电磁能量源，比如不可见或 可见的光能、伽玛射线、X射线、紫外光、红外辐射、微波和无线电波。与叶绿素将光能转化为 化学能的能力有所不同，其随后被用于在细胞内通过光合作用产生葡萄糖，而黑色素可以 在活细胞外，通过电化学方法产生葡萄糖。因此，目前为止，这种产生葡萄糖的方法无法在 实验室复制。
[0014]在一个总的方面，本发明涉及一种产生葡萄糖（C6Hl2〇6)的电化学方法。根据本发 明的实施方式，所述的电化学方法包括:在至少一种黑色素物质和电磁能量源的存在下，将 水与溶解在其中的二氧化碳气体进行反应。所述的至少一种黑色素物质选自下组:黑色素、 黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物、以及黑色素变体。由于黑色素能够吸收电磁能， 并且可以将该电磁能转化为可利用的化学能，因此，根据本发明所述的电化学方法，不需外 加电流即可产生葡萄糖。在一个优选的实施方式中，本发明所述的电化学方法是光电化学 方法，并且电磁能量源为光电能，选自可见光和不可见光，其波长在200nm-900nm的范围。
[0015] 在另一总的方面，本发明涉及产生CnH2n0n类物质的电化学方法，其中η代表整数。 在一优选的实施方式中，η代表1、2、3、4、5或6,由此使得用本发明的方法产生的CnH2n〇 n类物 质是葡萄糖前体、或葡萄糖本身。根据本发明的实施方式，所述的电化学方法包括:在至少 一种黑色素物质和电磁能量源的存在下，将水与溶解在其中的二氧化碳气体进行反应。较 佳地，光电能选自可见的和不可见的光能，其波长在200nm-900nm的范围。
[0016] 在另一方面，本发明涉及利用水、二氧化碳、黑色素和电磁能量源产生葡萄糖和 CnH2n〇n类物质的系统。根据本发明的实施方式，用于通过电化学方法产生葡萄糖的系统包 括：
[0017] (i)反应室，用于接收水和溶解在其中的⑶2气体、以及至少一种黑色素物质，其中 所述的至少一种黑色素物质选自下组：黑色素、黑色素前体、黑色素衍生物、黑色素类似物 以及黑色素变体;和
[0018] (ii)电磁能量源，由此使得电磁能传递入反应室，并为黑色素物质所吸收。
[0019] 在本发明实施方式中，所述用于产生葡萄糖的系统不需复杂的操作或设置，因而 仅需要一个容器以及电磁能量源，该容器用于接收水和溶解在其中的C02气体、至少一种黑 色素物质，而该电场能量源为至少一种黑色素物质提供足够的能量，以催化裂解、重构水分 子以及随后形成葡萄糖。在一个优选的实施方式中，电磁能量源将波长为200nm - 900nm的 可见或不可见的光能传递入反应室。
[0020] 本发明的一个或多个实施方式的细节列于以下说明中。其它特征和优点将从以下 的详述和所附权利要求书中明显得出。
[0021] 发明详述
[0022] 本文提及的所有专利和出版物都通过引用的方式并入本文。除非另有定义，否则 本文所用的所有技术性和科学性术语是本发明相关领域技术人员普遍理解的相同含义。否 贝1J，本文所用的某些术语具有如说明书中所阐述的含义。
[0023] 需注意，如本文和附属的权利要求所用，单数形式的"一 (a)"、"一个(an)"、以及 "该"包括复数引用，除非上下文另有明确的说明。
[0024] 如本文所用，术语"水电解的"是指将水分子裂解为氧气和氢气的方法。如本文所 用，"电解