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、不需外加電源等優(yōu)點，可望在環(huán)境檢測、食品安全、生物醫(yī)學等領域得到廣泛應用。日前，中國科學院青島生物能源與過程研究所生物傳感技術團隊研究人員開發(fā)出一種基于葡萄糖/氧氣燃料電池的自供電傳感器，實現(xiàn)了L-半胱氨酸的高靈敏檢測，有望應用于臨床檢測。相關成果發(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電微生物為生物催化劑，通過電化學途徑把生物質燃料中的化學能直接轉化為電能，從而提供清潔的能源。此前，生物傳感技術團隊已經開發(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，該團隊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0.78  V。進一步研究發(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+，從而有效地恢復燃料電池的開路電位。利用該原理設計開發(fā)了自供電的L-半胱氨酸傳感器（如圖）。

測試結果表明，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10 nM，遠低于已報道的其它電化學方法。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基金、國家博士后基金等項目的資助。