有史以來最為敏感的生物電子氨氣傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）的一支研究團(tuán)隊(duì)本周在《納米研究》（Nano Research）期刊中撰文稱，他們開發(fā)出了有史以來最為敏感的生物電子氨氣傳感器。

該傳感器使用來自Geobacter細(xì)菌的導(dǎo)電蛋白質(zhì)納米線為電子裝置提供生物材料。30多年前，資深作者、生物學(xué)家Derek Lovley在河泥中發(fā)現(xiàn)了Geobacter細(xì)菌。這些微生物會(huì)長出毛發(fā)狀的蛋白質(zhì)細(xì)絲，作為納米級(jí)“電線”轉(zhuǎn)移電荷滋養(yǎng)細(xì)菌，并實(shí)現(xiàn)與其它細(xì)菌之間的交流。

該論文的第一作者、生物醫(yī)學(xué)系博士生Alexander Smith及其導(dǎo)師Jun Yao和Lovley表示，他們設(shè)計(jì)了第一款這類測量氨氣的傳感器，因?yàn)榘睔鈱r(nóng)業(yè)、環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)都至關(guān)重要。例如，人體呼出的氨氣可能代表某種疾?。辉诩仪蒺B(yǎng)殖中，必須對氨氣進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測和控制，以保證家禽的健康和舒適，并避免飼料不平衡和生產(chǎn)損失。

Yao指出，“這款傳感器可以實(shí)現(xiàn)高精度傳感，比此前的電子傳感器要好得多。”Smith解釋道，“每次我用這款傳感器進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)時(shí)，我都會(huì)感到驚喜。它們實(shí)際運(yùn)作起來超出我們的預(yù)期，我認(rèn)為它們可以在今后的日常生活中發(fā)揮積極作用。”

Smith認(rèn)為，現(xiàn)有電子傳感器的靈敏度通常受限或較低，并且容易受到其它氣體的干擾。除了卓越的功能和低成本外，他補(bǔ)充道，“我們的傳感器是可生物降解的，因此不會(huì)產(chǎn)生電子垃圾，而且它們使用可再生原料，通過細(xì)菌持續(xù)生產(chǎn)，不需要有毒的化學(xué)物質(zhì)?！?br />
讀博期間，Smith將其作為研究工作的一部分進(jìn)行了為期18個(gè)月的實(shí)驗(yàn)。從Lovley的早期研究中可以獲知，蛋白質(zhì)納米線的電導(dǎo)率會(huì)隨著pH值（蛋白質(zhì)納米線周圍溶液的酸性或堿性水平）的變化而變化。Smith受此啟發(fā)，測試了它們是否能夠?qū)ι飩鞲械姆肿咏Y(jié)合作出高靈敏度反應(yīng)。他指出，“如果將它們暴露于化學(xué)物質(zhì)中，其性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，你就可以測量反應(yīng)。”

當(dāng)他將納米線暴露在氨氣中時(shí)，Smith說，“傳感器的反應(yīng)非常明顯，這對我們而言意義重大。研究早期，我們發(fā)現(xiàn)可以通過某種方式調(diào)整傳感器來展示這一重要反應(yīng)。它們確實(shí)對氨氣非常敏感，對其它化合物的敏感度則低得多，因此該傳感器可以用于非常具體的應(yīng)用?！?/p>

Lovley補(bǔ)充說明道，“這種非常穩(wěn)定的納米線能持續(xù)很長時(shí)間，在使用數(shù)月后，傳感器始終功能強(qiáng)大且運(yùn)作良好，這是非常了不起的?！?br />
Yao驚嘆道，“這些蛋白質(zhì)納米線總會(huì)給我?guī)眢@喜。這一新用途與我們此前的工作領(lǐng)域完全不同?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)此前曾報(bào)道過使用蛋白質(zhì)納米線利用濕度收集能量，并將其用作生物計(jì)算的憶阻器。

Smith自稱為“創(chuàng)業(yè)者”，在馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的2018年創(chuàng)新挑戰(zhàn)（Innovation Challenge）中，他與電子生物材料系的Yao和Lovley共同組建的公司獲得了創(chuàng)業(yè)商業(yè)計(jì)劃第一名。研究團(tuán)隊(duì)跟進(jìn)了此后的專利申請、融資、商業(yè)發(fā)展以及研發(fā)計(jì)劃事宜。

Lovley總結(jié)道，“這項(xiàng)工作是生物納米線傳感器的首個(gè)概念驗(yàn)證產(chǎn)品?；貧w實(shí)驗(yàn)室后，我們將開發(fā)用于其它化合物的傳感器，我們正在努力調(diào)整以使其適用于其它化合物?！?br />
這項(xiàng)工作從國家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation），馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校技術(shù)商業(yè)化和風(fēng)險(xiǎn)投資（Technology Commercialization and Ventures）辦公室以及該校分層制造中心（Center for Hierarchical Manufacturing），國家科學(xué)基金會(huì)資助的納米科學(xué)與工程中心（Nanoscale Science and Engineering Center）獲得了職業(yè)資助和研究生研究獎(jiǎng)學(xué)金（Graduate Research Fellowship）支持。