苗昆鵬，閆 龍，馬鵬程，馬曉燕

(西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西西安710129)

酶生物燃料電池(enzymatic biofuel cell，EBFC)是一種利用酶作為催化劑，以可再生的生物質(zhì)如葡萄糖、乙醇、氫氣等為燃料，利用生物酶陽(yáng)極和生物酶陰極將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置[1-2]。整個(gè)過(guò)程中，陽(yáng)極底物在生物活性位點(diǎn)的催化下發(fā)生氧化反應(yīng)，失去的電子通過(guò)外電路轉(zhuǎn)移到陰極區(qū)，陰極底物則在生物活性單元的催化下發(fā)生還原反應(yīng)[3-4]，其基本原理如圖1 所示。

EBFC 一般是在室溫和中性pH 這種溫和條件下運(yùn)行，并可以使用有機(jī)廢水(如酚類(lèi)廢水)來(lái)產(chǎn)生電能，所以是一種可持續(xù)的綠色生物燃料電池，廣泛應(yīng)用在可植入器件電源、可穿戴設(shè)備、自供能傳感器和廢水處理等領(lǐng)域[6-9]。

圖1 酶生物燃料電池基本原理[5]

圖2 氧還原電極上漆酶和膽紅素氧化酶的電催化方向示意圖[11]

在電極上構(gòu)筑導(dǎo)電性能優(yōu)異的納米材料具有多重作用：(1)縮短生物酶催化活性位點(diǎn)與電極之間的距離，并為酶的自然催化過(guò)程提供合適的微環(huán)境，從而保證生物酶的活性和穩(wěn)定性；(2)改善生物酶與電極之間的相互作用；(3)利用其比表面積較大且易于官能團(tuán)化的特點(diǎn)，為EBFC 提供更高的酶負(fù)載量。因此，如何在電極上構(gòu)筑納米材料成為當(dāng)前EBFC 所面臨的關(guān)鍵難題。

本文主要總結(jié)了近年來(lái)EBFC 中電極上導(dǎo)電納米材料制備的研究進(jìn)展，介紹了EBFC 在可植入器件、可穿戴設(shè)備、電化學(xué)傳感及有機(jī)廢水等領(lǐng)域的新進(jìn)展。

1 EBFC 的導(dǎo)電納米材料及電池性能

EBFC 發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是酶和基底電極之間的電荷轉(zhuǎn)移效率低、電極比表面積小、酶的固定難等[12]。電極上導(dǎo)電納米粒子如新型碳基納米材料、金屬納米粒子等的沉積與負(fù)載，可以在很大程度上改善這些問(wèn)題。

1.1 碳納米材料及電池性能

碳納米管(CNT)、石墨烯作為新型碳基納米材料被廣泛用于生物電極構(gòu)造研究[13-15]，可以提高電極比表面積，改善電子轉(zhuǎn)移的速度，增強(qiáng)EBFC 的功率密度和電流密度。Arjun等[16]用1-芘羧酸(PCA)酸化的CNT 和鈣離子組成的分層結(jié)構(gòu)通過(guò)靜電吸附固定葡萄糖氧化酶(GOx)，作為酶陽(yáng)極，采用PCA 酸化的CNT 與采用硝酸/硫酸酸化的CNT 相比，得到的CNT 表面形貌并未破壞，固定的GOx 陽(yáng)極的電流密度更高；用還原的氧化石墨烯二氧化鈰作為非酶陰極構(gòu)筑了三明治結(jié)構(gòu)的葡萄糖酶燃料電池，如圖3 所示，在60 μA/cm2時(shí)記錄的開(kāi)路電壓為140 mV，峰值功率密度為6.25 μW/cm2；使用該EBFC 為電容器充電時(shí)，電容器可以充電至約400 mV，這表明該EBFC 具有作為獨(dú)立電源的能力。

圖3 基于PCA-MWNT/Ca2+/GOx陽(yáng)極的EBFC示意圖[16]

石墨烯具有出色的導(dǎo)電性、非常高的比表面積和機(jī)械強(qiáng)度[17]，所以也成為構(gòu)造酶生物燃料電池的主要納米材料。Liu等[18]首次在EBFC 中使用石墨烯，構(gòu)筑生物陽(yáng)極，葡萄糖氧化酶、石墨烯和氧化還原介體被四甲氧基硅烷溶膠凝膠包埋在金基底上，生物陰極制備與生物陽(yáng)極制備方法相同，陰極酶為膽紅素氧化酶；以此構(gòu)筑的電池最大功率密度為(24.3±4)μW，7 天后，功率輸出下降到其原始功率輸出的50%。作為對(duì)比，采用CNT代替石墨烯，同時(shí)采用相同方法制備了酶陽(yáng)極，并組裝成EBFC，經(jīng)分析，基于石墨烯陽(yáng)極制成的EBFC 具有更高的功率密度。

有研究人員已利用3D 石墨烯來(lái)改善EBFC 的性能[19]。Babadi 等[20]通過(guò)Hummers 法和水熱法構(gòu)造了基于3D 石墨烯的EBFC，之后將其和葡萄糖氧化酶一同修飾在玻碳電極上。該生物陽(yáng)極在0.4 V 時(shí)的功率密度為164 μW/cm2；3D 石墨烯的高度多孔結(jié)構(gòu)負(fù)載了更多的GOx 并減少了酶的浸出，提高了酶負(fù)載量和電極穩(wěn)定性，促進(jìn)了GOx 活性位點(diǎn)和GCE 之間的電子轉(zhuǎn)移。這種方法也可用于其他酶固定中。

1.2 金屬納米粒子及電池性能

各種金屬納米粒子如AuNPs、AgNPs、PtNPs 等已用于修飾EBFC 的電極，以促進(jìn)酶與基底電極之間的電子轉(zhuǎn)移。在某些情況下，AuNPs 被修飾在如碳納米管、石墨烯或?qū)щ娋酆衔锏缺砻妫⑼ㄟ^(guò)酶的末端基團(tuán)與經(jīng)過(guò)預(yù)處理的AuNPs 上的基團(tuán)之間的化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)鍵，將酶固定在基底電極上[21-22]，通過(guò)減小酶與基底電極之間的距離而促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移；Suhyeon 等[10]為改善基于漆酶陰極EBFC 的性能，制備了由漆酶、CNT、聚乙烯亞胺(PEI)和2-萘硫醇(NPT)包裹的AuNPs 組成的電極，其中PEI 通過(guò)靜電吸附固定漆酶；以Pt/C作為陽(yáng)極，葡萄糖水溶液作為電解質(zhì)(40 mmol/L)，該EBFC 最大功率密度為13 μW/cm2，明顯優(yōu)于不含AuNPs 的電極(7 μW/cm2)。這表明金-巰鍵在CNT/PEI 底物和漆酶之間可以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，極大地提高漆酶陰極的氧還原速率和EBFC 功率密度。

Ratautas 等[23]為了在乙醇脫氫酶的生物陽(yáng)極上實(shí)現(xiàn)直接電子轉(zhuǎn)移，制備了由乙醇脫氫酶、AuNPs、4-氨基苯硫酚組成的生物陽(yáng)極，其中AuNPs 由檸檬酸鈉還原HAuCl4制備而成，之后將其滴涂在金基底電極上，4-氨基苯硫酚通過(guò)金硫鍵和共價(jià)鍵將乙醇脫氫酶修飾在AuNPs 上，將該電極用于催化甘油并進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，表明該生物陽(yáng)極在pH=7.0 和0 V/SCE下產(chǎn)生510 μA/cm2的電流密度，這主要是因?yàn)锳uNPs 促進(jìn)了乙醇脫氫酶的氧化還原中心與4-氨基苯硫酚修飾的AuNPs之間的電子轉(zhuǎn)移。

在雅馬哈展臺(tái)，隨處可見(jiàn)的是品類(lèi)各樣的精制樂(lè)器，令所有前來(lái)觀展的來(lái)賓享受到了一場(chǎng)集視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)為一體的高科技、多感官盛宴。

1.3 導(dǎo)電雜化材料及電池性能

碳納米材料用于改善電極表面積和導(dǎo)電能力，金屬納米粒子可縮短酶與基底電極的電子轉(zhuǎn)移距離，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，提高電極電流密度和EBFC 的功率密度，將二者雜化可以提高酶電極及酶生物燃料電池的綜合性能。

Zhang 等[24]使用電沉積和化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備了新型3D 電極，在泡沫鎳表面電沉積還原的氧化石墨烯(RGO)，得到了3D 的RGO，在此過(guò)程中共沉積了AuNPs。隨后通過(guò)簡(jiǎn)單的CVD 工藝，使氮摻雜碳納米管(N-CNTs)在3DRGO/Au 納米顆粒表面無(wú)縫生長(zhǎng)。在這種納米結(jié)構(gòu)中，AuNPs 共沉積和氮摻雜為生物電催化提供了更多的活性位點(diǎn)。此外，N-CNTs 為固定化酶提供了高比表面積，促進(jìn)了葡萄糖氧化酶與電極之間的電子轉(zhuǎn)移，并以7.02 mA/cm2的電流密度(0.3 V vs.Ag/AgCl)顯示出高電催化活性；與鉑陰極組合所制備的葡萄糖/空氣生物燃料電池的開(kāi)路電位為0.32 V，在0.15 V 產(chǎn)生的最大功率密度為235 μW/cm2。在此3D 結(jié)構(gòu)中，N-CNT、RGO 和共沉積的AuNPs 對(duì)葡萄糖氧化表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，使其具有更高的比表面積、酶負(fù)載量以及更多的生物電催化活性位點(diǎn)，說(shuō)明使用導(dǎo)電雜化材料的3D 生物電極具有改善EBFC 輸出功率低和電流密度低等問(wèn)題的潛力。

上述分析說(shuō)明，這些納米材料具有良好的導(dǎo)電性和較大的比表面積，可以減小基底電極與酶之間的電子轉(zhuǎn)移距離同時(shí)負(fù)載更多的酶，因此，使用導(dǎo)電納米材料如碳材料、金屬納米粒子或其雜化導(dǎo)電納米粒子等構(gòu)筑3D 生物電極可以提高酶電極的比表面積，加快電子傳輸速率，改善酶電極的性能，提高EBFC 的電流密度和輸出功率。

2 EBFC 器件構(gòu)筑與性能

酶生物燃料電池可以在溫和的環(huán)境下進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)，因此可以作為可植入或可穿戴EBFC 應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[7-8]、構(gòu)筑自供能傳感器[6]及處理生物有機(jī)質(zhì)廢水[9]。

2.1 可植入和可穿戴酶燃料電池的構(gòu)筑與性能

近年來(lái)，可植入和可穿戴酶燃料電池發(fā)展迅速，特別是在生物體表面應(yīng)用的可穿戴柔性設(shè)備和植入生物體內(nèi)的植入器件電源。Zhiheng 等[25]在碳布電極上負(fù)載了乳酸氧化酶作為酶陽(yáng)極，在另一塊碳布電極上涂覆金屬鉑作為陰極。在電極之間夾一層濾膜作為電池的隔膜，讓陽(yáng)極與模擬的汗液接觸，陰極則暴露在空氣中，從而制備出一種可從汗液中獲取能量的柔性EBFC。將該電池貼在皮膚表面，能為可穿戴傳感器提供電能，而且能夠穩(wěn)定運(yùn)行兩周，但采用碳布作為基底電極，由于其導(dǎo)電性較差，EBFC 的功率密度受到限制。

Reid 等[26]設(shè)計(jì)了一種柔性酶燃料電池用于隱形眼鏡，該EBFC 酶陽(yáng)極由導(dǎo)電性良好的巴基紙上負(fù)載聚亞甲基綠和一種含乳酸脫氫酶與電子介體NAD+的水凝膠組成，酶陰極用季銨鹽陽(yáng)離子修飾過(guò)的全氟磺酸膜將膽紅素氧化酶固定在另一塊巴基紙表面。將陰極與陰極固定在硅橡膠彈性體表面后，與隱形眼鏡結(jié)合，組裝了一種可利用眼淚中的乳酸產(chǎn)生能量的EBFC，如圖4 所示。該電池的最大輸出功率為(8.01±1.4) mW/cm2，可以為隱形眼鏡等微型可穿戴設(shè)備提供電能。但在EBFC 運(yùn)行過(guò)程中，陽(yáng)極的聚亞甲基綠易浸出，使得EBFC 的功率下降，且使用的巴基紙生物相容性較差，因此電極材料及制備方法仍需改進(jìn)。

圖4 隱形眼鏡生物燃料電池示意圖[26]

Kevin 等[27]在碳納米管制成的巴基紙表面分別固定了葡萄糖脫氫酶、果糖脫氫酶和漆酶，制備了酶陽(yáng)極和酶陰極，之后將它們組裝成電池，與無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)相連植入了橙子內(nèi)部,如圖5 所示。電池可以支持無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)將信號(hào)傳輸10 m 遠(yuǎn)。然而，將其植入橙子內(nèi)部后，電池的穩(wěn)定性仍不滿足實(shí)際應(yīng)用需要，期待經(jīng)過(guò)進(jìn)一步發(fā)展，電極穩(wěn)定性得到改善后，這種一次性電池可以利用周?chē)h(huán)境條件來(lái)為電子裝置提供電力。

雖然酶燃料電池得到了發(fā)展，但由于需要在生物體表面或植入生物體內(nèi)作用，仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題，如電極的生物相容性、柔性以及EBFC 的穩(wěn)定性等均需要進(jìn)一步提高。細(xì)菌纖維素[9]具有出色的生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性以及高比表面積，因此，未來(lái)可通過(guò)使用細(xì)菌纖維素作為電極材料，來(lái)改善可植入和可穿戴酶燃料電池的生物相容性和柔性。

圖5 植入橙子的酶燃料電池與無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)示意圖[27]

2.2 自供能傳感器的構(gòu)筑與性能

自供能傳感器將電池輸出信號(hào)作為分析檢測(cè)信號(hào)，其信號(hào)與被檢測(cè)物的濃度成比例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)物的分析和檢測(cè)，該傳感器具有低成本、高靈敏度、快速響應(yīng)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于免疫、生物學(xué)分析、疾病診斷、氣體檢測(cè)等方面。

生物體內(nèi)存在大量的葡萄糖，這種高靈敏度、快速響應(yīng)的自供能傳感器可用于檢測(cè)葡萄糖。Liu等[28]設(shè)計(jì)了自供能的葡萄糖傳感器(SPGS)，由四個(gè)組件構(gòu)成：葡萄糖氧化酶陽(yáng)極、Pt/C陰極；上方的葡萄糖通量限制膜；橋接陽(yáng)極和陰極的電阻器，如圖6 所示。體外評(píng)估表明，即使在低O2濃度下，傳感器輸出在生理葡萄糖濃度(2～30 mmol/L)上也是線性的；在30 mmol/L葡萄糖中于37 ℃連續(xù)體外操作60天后，輸出也保持穩(wěn)定。

圖6 自供能葡萄糖傳感器的示意圖[28]

高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)等色譜方法可用于檢測(cè)環(huán)境污染物阿特拉津(ATZ)，然而，這兩種方法通常比較昂貴且需要復(fù)雜的預(yù)處理。Wang 等[29]采用電化學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種用于檢測(cè)ATZ 的基于EBFC 的新型自供能傳感器，該傳感器陽(yáng)極由酸化的CNT 將葡萄糖脫氫酶(GDH)固定于玻碳電極上，陰極由載有ATZ 特異性識(shí)別體(Apt)的Au 電極組成，陽(yáng)極電解液為葡萄糖，陰極中使用K3[Fe(CN)6]作為還原探針，以消耗由生物陽(yáng)極一側(cè)的葡萄糖氧化產(chǎn)生的電子；將ATZ 添加到陰極室后，它可以被適體識(shí)別并結(jié)合到陰極上的特異性識(shí)別體上，并阻止電解質(zhì)中的K3[Fe(CN)6]與陰極表面之間的電子轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致輸出電流減小。由此建立了一種基于EBFC 的簡(jiǎn)單有效的自供能傳感器(SPA)系統(tǒng)，用于檢測(cè)ATZ；此SPA 系統(tǒng)獲得15.3 μW/cm2的最大輸出功率密度和7.5 nmol/L 的低檢測(cè)限。圖7 為SPA 系統(tǒng)的ATZ 檢測(cè)機(jī)理示意圖。

圖7 SPA 系統(tǒng)的ATZ檢測(cè)機(jī)理示意圖[29]

近年來(lái)，基于EBFC 的自供能傳感器受到了廣泛的關(guān)注，它具有從環(huán)境中收集能量的能力，并且在對(duì)分析物進(jìn)行檢測(cè)時(shí)不需要外部電源，在便攜式設(shè)備的小型化和檢測(cè)方面具有巨大的潛力。

2.3 有機(jī)廢水處理酶燃料電池及其性能

酚類(lèi)化合物作為來(lái)自自然界和工業(yè)界的污染物，可能會(huì)導(dǎo)致生物機(jī)體新陳代謝紊亂、免疫力喪失等。在當(dāng)前的研究中，漆酶被認(rèn)為是雙酚A(BPA)降解的最佳選擇，這主要是由于其具有低成本、高催化效率和廣泛的特異性。另外，漆酶的活性位點(diǎn)具有多個(gè)銅原子，可將包括BPA 在內(nèi)的多種酚類(lèi)物質(zhì)降解為相應(yīng)的易處理的醌類(lèi)物質(zhì)[30]。

Li 等[9]通過(guò)使用漆酶作為唯一催化劑，開(kāi)發(fā)了一種單酶EBFC，將其固定在已制備的改性細(xì)菌纖維素/酸化CNT 的高柔性電極上，將其分別作為陽(yáng)極和陰極，BPA 作為燃料，組成EBFC，如圖8 所示。該EBFC 產(chǎn)生的開(kāi)路電壓為0.14 V，比功率達(dá)到1.897 W/m3。盡管單EBFC 的輸出功率和電壓與常規(guī)EBFC 相比仍然不高，然而，這種利用成本較低、穩(wěn)定性良好、催化效率較高的漆酶催化有機(jī)廢物分解產(chǎn)生電能的方法，對(duì)治理有機(jī)廢水污染及替代不可再生能源具有重要的意義。

圖8 以BPA為燃料的LAC生物燃料電池示意圖[9]

3 結(jié)論與展望

本文主要總結(jié)近年來(lái)酶生物電極的構(gòu)筑和酶生物燃料電池的應(yīng)用。在EBFC 使用的納米材料中，碳基納米材料可以增加電極的比表面積，金屬納米材料可以促進(jìn)酶與電極之間的電子轉(zhuǎn)移，而將二者雜化用于制備基于導(dǎo)電納米雜化材料的3D 生物電極，可以提高EBFC 的電流密度和輸出功率，因此酶電極未來(lái)的發(fā)展方向是制備基于導(dǎo)電納米雜化材料的3D 生物電極。

EBFC 在可植入器件、可穿戴設(shè)備電源以及自供能傳感器、有機(jī)廢水處理方面都展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。在可植入器件和可穿戴設(shè)備電源方面，未來(lái)需進(jìn)一步探索具有生物相容性的柔性導(dǎo)電基底構(gòu)筑酶電極及酶電極在生物體內(nèi)的催化性能與穩(wěn)定性；在自供能傳感器方面，一些特殊污染物采用普通的方法檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜且價(jià)格昂貴，未來(lái)可以通過(guò)構(gòu)建過(guò)程簡(jiǎn)單、快速響應(yīng)的基于EBFC 的自供能傳感器來(lái)檢測(cè)這類(lèi)污染物；在有機(jī)廢水方面，漆酶的EBFC 在處理酚類(lèi)廢水、替代不可再生能源作為燃料產(chǎn)生電能展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但仍需探索酶電極在有機(jī)廢水中的穩(wěn)定性及催化性能。