基于生物燃料電池的自供電傳感器檢測L-半胱氨酸的原理圖

基于生物燃料電池的自供電傳感器具有簡易、廉價(jià)、不需外加電源等優(yōu)點(diǎn)，可望在環(huán)境檢測、食品安全、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。日前，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所生物傳感技術(shù)團(tuán)隊(duì)研究人員開發(fā)出一種基于葡萄糖/氧氣燃料電池的自供電傳感器，實(shí)現(xiàn)了L-半胱氨酸的高靈敏檢測，有望應(yīng)用于臨床檢測。相關(guān)成果發(fā)表在Analytical Chemistry (C. Hou, et al., Analytical  Chemistry 2015, 87, 3382?3387)。

生物燃料電池利用酶或產(chǎn)電微生物為生物催化劑，通過電化學(xué)途徑把生物質(zhì)燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，從而提供清潔的能源。此前，生物傳感技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一系列基于微生物表面展示酶的高性能生物燃料電池（L. Xia, et  al., Biosensors & Bioelectronics 2013, 44,  160–163; Q. Lang, et al., Biosensors &  Bioelectronics 2014, 51, 158–163; C. Hou, et al., Analytical  Chemistry 2014, 86,  6057–6063.）。近日，該團(tuán)隊(duì)博士后侯傳濤等人分別以黃素腺嘌呤二核苷酸型葡萄糖脫氫酶（FAD-GDH）和漆酶（laccase）制備生物陽極和生物陰極，構(gòu)筑了高性能的葡萄糖/氧氣生物燃料電池，最大輸出功率密度98 μW cm-2，開路電位高達(dá)0.78  V。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Cu2+可以明顯抑制該燃料電池的開路電位，而L-半胱氨酸（L-Cys）通過與Cu2+作用形成Cu-S鍵，能夠除去電極表面的Cu2+，從而有效地恢復(fù)燃料電池的開路電位。利用該原理設(shè)計(jì)開發(fā)了自供電的L-半胱氨酸傳感器（如圖）。

測試結(jié)果表明，該自供電的傳感器檢測L-半胱氨酸的線性范圍為20 nM  - 3 μM，檢出限達(dá)10 nM，遠(yuǎn)低于已報(bào)道的其它電化學(xué)方法。其它氨基酸和谷胱甘肽的存在不影響L-半胱氨酸的測定。該傳感器簡單、靈敏、特異，有望在L-半胱氨酸的臨床檢測中得到應(yīng)用。

上述研究由研究員劉愛驊主持完成，得到了國家自然科學(xué)基金、國家博士后基金等項(xiàng)目的資助。