捕获光子并将其转化为电能的有机分子在生产绿色能源方面有着重要的应用。光收集配合物需要两个半导体，杏耀一个电子供体和一个电子受体。它们工作的好坏取决于它们的量子效率，即光子转换成电子-空穴对的速率。

 

如果存在“自猝灭”，即一个被入射光子激发的分子将其部分能量贡献给一个相同的非激发态分子，从而产生两个处于中间能量态的分子，其能量太低，无法产生电子-空穴对。但是，如果电子给体和电子受体之间的间隔更好，自猝灭就会受到限制，这样量子效率就会提高。

 

在《化学前沿》的一篇新论文中，来自卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的研究人员合成了一种基于DNA的新型有机光收集超分子。DNA的双螺旋结构起着支架作用，在三维空间中排列起作为电子供体的发色团(即荧光染料)和“巴基球”(电子受体)，以避免自猝灭。

 

“DNA是构建光收集超分子的一个有吸引力的支架:它的螺旋结构，碱基之间的固定距离，以及典型碱基配对精确控制发色团的位置。我们发现碳巴基球与插入DNA螺旋的修饰核苷结合，大大提高了量子效率。我们还展示了超分子的3D结构不仅存在于液相中，也存在于固相中，例如在未来的有机太阳能电池中。”卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的有机化学教授，首席作者Hans-Achim Wagenknecht博士说。

 

DNA提供了规则的结构，就像螺旋线上的珠子一样

 

作为支架，Wagenknecht和同事使用了单链DNA，脱氧腺苷(A)和胸腺嘧啶(T)链20个核苷酸长。之所以选择这个长度，是因为理论表明，较短的DNA寡核苷酸不会有序聚集，而较长的DNA寡核苷酸不溶于水。发色团是紫罗兰荧光的芘和红色荧光的尼罗红分子，每一个都以非共价结合在一个合成尿嘧啶(U)-脱氧核糖核苷上。每个核苷都与DNA支架碱基配对，但比利牛斯和尼罗河红的顺序是在自我组装过程中随机产生的。

 

对于电子受体，Wagenknecht等人测试了两种形式的“巴基球”——也叫富勒烯——它们被认为具有极好的“猝灭”能力(接受电子)。每个巴基球都是由5到6个碳原子组成的链环组成的空心球体，每个分子总共有60个碳原子。测试的第一种巴基球通过静电与DNA非特异性结合。第二种形式——以前没有测试过作为电子受体——通过丙二酸酯与两侧的u -脱氧核糖核苷共价结合，这使得它可以与DNA上的a核苷酸碱基配对。

 

高量子效率，包括在固相

 

研究人员通过实验证实，基于dna的超分子的3D结构在固相中保持不变，这是应用于太阳能电池的关键要求。为此，他们用两种形式的巴基球作为微型太阳能电池的活性层来测试超分子。该结构显示了出色的电荷分离——在发色团中形成一个正空穴和一个负电子电荷，并被附近的巴基球接受——无论巴基球是哪一种形式，但对第二种形式尤其如此。作者从更具体的结合，通过典型的碱基配对，以第二种形式与DNA支架结合来解释这一点，这应该会导致巴基球和发色团之间的距离更小。这意味着第二种形式是太阳能电池更好的选择。

 

重要的是，杏耀平台作者还证明了dna染料巴基球超分子具有很强的圆二色性，也就是说，由于其复杂的三维螺旋结构，它对左旋偏振光的反应性比对右旋偏振光强得多，即使在固相中也是如此。

 

“我不认为每个人都能很快在屋顶上安装带有DNA的太阳能电池。但DNA的手性将是有趣的:基于DNA的太阳能电池可能在特殊应用中感知圆偏振光，”Wagenknecht总结道。