武漢理工麥立強&徐林Chem綜述：納米線–生物界面進展：從能量轉換到電生理學

引語

納米–生物界面（nano–bio interface）可以看作是連接無機世界和生命世界的橋梁，研究無機納米材料與生物體在微納尺度的能量轉換與信息傳遞，在人工光合作用、微生物燃料電池、納米生物電子學等領域具有廣泛的應用。最近，武漢理工大學的麥立強教授（通訊作者）團隊在Cell子刊Chem應邀發表了題為“Recent Advances in Nanowire–Biosystem Interface: From Chemical Conversion, Energy Production to Electrophysiology”的綜述文章。武漢理工大學徐林教授和美國哈佛大學博士后趙云龍為論文共同第一作者。該綜述主要從納米線–生物界面的構筑、納米–細菌人工光合作用將CO₂轉化成化學能源、微生物燃料電池、納米線生物傳感器等幾個方面討論了納米–生物界面的設計原理與應用，最后作出了對納米–生物界面未來發展的展望。

綜述導覽圖

1.概況

無機納米材料和生物體分別在能源和生物醫學領域具有廣泛的應用，無機–生命復合系統能將無機材料和生命物質各自的優勢結合起來。該綜述選取了基于納米線–生物界面的人工光合作用、微生物燃料電池、電生理學三個代表性的領域進行了介紹。

（1）在人工光合作用方面，從生物體分離出來的酶能夠吸收光并作為催化劑使CO₂轉變成化學產品，具有高的選擇性和低的能壘的優勢，然而轉換效率只有0.5–2%；納米無機半導體光伏材料具有高達20%的轉換效率，然而CO₂還原化學轉化的選擇性和純度不高。因此，納米無機–生命復合光合系統（Photosynthetic Biohybrid System, PBS）有望將無機材料高的轉換效率和生命物質高的選擇性的優勢結合起來。

（2）在微生物燃料電池方面（Microbial Fuel Cell, MFC），產電微生物能將有機物質氧化產生電能，具有環境友好的特點。然而，微生物產電的功率密度和效率還比較低。為了解決這一問題，將一維納米材料與微生物結合可以增強細菌和無機電極之間的電子傳輸，從而提高電池的功率密度。

（3）在電生理學方面，心電圖和腦電圖已經被廣泛應用于心臟和腦部的醫學診斷，然而這些技術很難實現高時空分辨率的檢測。作為無機材料里最小的信號處理單元，納米線場效應晶體管（Field-Effect Transistor, FET）有望實現高時空分辨率的生物信號的檢測和高靈敏度的疾病診斷。

圖1 納米線–生物界面的示意圖

2.設計原理

納米線–生物界面的總體設計原理是使納米線與生物體形成穩定、緊密的接觸實現高效的信號和能量傳輸，可以采用表面修飾、形貌調控和陣列設計等方式對界面進行優化。本節先從簡單納米線與生物的界面討論納米材料相對于塊體材料的優勢，然后討論復雜納米結構對界面的優化。

2.1 直線納米線

納米線–生物界面要求直線型納米線具備以下條件：（1）納米線的直徑和被檢測的生物物質的尺寸相當；（2）具有高的靈敏度和信號保真度；（3）具備多尺度信號探測的能力。幾個代表性的例子包括通過納米線記錄細菌的運動和吸附，以及通過納米線器件探測病毒信號等。

圖2 納米線–生物界面舉例

2.2 復雜納米線

和簡單納米線相比，復雜納米線能進一步優化界面并提供一些新的功能。例如，樹枝狀納米線陣列能與細胞形成更穩定的接觸以及更多的接觸位點。蘑菇狀的類似于脊柱形狀的納米線能和神經元形成穩定的接觸，增強細胞與電極之間的信號傳輸，提高傳感器的信噪比。彎折形狀的納米線可以像針尖一樣進入細胞內部，探測細胞膜內信號，還可以作為微小的力學傳感器探測細胞的力學行為。

3.人工光合作用

自然界中的光合作用是綠色植物或某些細菌能夠吸收光能，把二氧化碳和水轉化成富能有機物，同時釋放出氧氣。通過這個過程，不僅可以存儲太陽能，而且可以有效地固定溫室氣體二氧化碳。然而，自然界光合作用的轉化效率是非常低的。研究者們一直希望效仿自然界光合作用，設計出高效、穩定的人工光合作用系統。利用集成高選擇性的生物催化劑和高效光吸收的無機材料構筑的無機材料–細菌光合系統是一個比較可行的思路，其類型可以根據細菌與無機材料的復合類型分為接觸型復合系統和分散型復合系統。

3.1 接觸型復合系統

最有代表性的接觸型復合光合系統是由加州大學伯克利分校的楊培東院士開創的。楊培東院士團隊將厭氧型細菌（Sporomusa ovata）培育在硅納米線陣列上。硅納米線構筑的陣列可以作為光吸收器，納米線的形貌不僅提供了很大的與細菌接觸的比表面積，而且創造了有利于CO₂還原的局部厭氧環境。這種生物兼容納米材料–細菌復合系統在溫和條件下能夠實現高轉化效率和穩定性。此外，他們在非光合型細菌（Moorella thermoacetica）表面復合了光敏感的CdS納米顆粒，這種生物復合系統集成了具有高吸收效率的無機納米材料和具有高選擇性、低成本、自修復的生物催化劑。CdS作為光吸收器捕獲光能，向細菌內輸送氫離子，并在內部進行CO₂還原，進而產生乙酸。

圖3 接觸型硅納米線–細菌CO₂還原

圖4 接觸型CdS–細菌CO₂還原

3.2 分散型復合系統

最有代表性的分散型復合光合系統來自于哈佛大學的Daniel G. Nocera教授所設計的“水分解催化劑細菌”策略。他們構筑了一種可擴展的、可集成的生物電化學系統，利用磷酸鈷（CoPi）和NiMoZn合金分別作為水分解陽極和陰極催化劑材料，產生的氫氣被細菌（Ralstonia eutropha）所利用來還原CO₂制備液體燃料。該人工光合作用系統的效率可以達到3.2%。進一步，Nocera教授團隊設計了一種更為高效的人工光合作用系統，利用磷酸鈷（CoPi）和鈷-磷合金分別作為水分解陽極和陰極材料。在氧氣存在下，低二氧化碳濃度環境下，Ralstonia eutropha細菌消耗水分解所產生的氫氣來制備生物質和燃料。鈷-磷催化劑具有更好的生物兼容性，整個系統的人工光合作用效率可達10%，遠遠超過自然界中的光合作用系統。

圖5 分散型系統用于CO₂還原

4.微生物燃料電池

微生物燃料電池是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置，其中一個關鍵的步驟是電子在微生物與電極之間的傳輸。本節先介紹電子在納米–生物界面的傳輸機制，然后討論電極結構的優化。

4.1 電子傳輸機制

微生物和電極之間的電子傳輸機制有以下四種可能的類型：（1）還原態的產物，如氫、氨或乙醇等，可能在電極表面被氧化將電子轉移到電極上；（2）一些人造的中介物，如硫堇、聯芐吡啶、吩嗪等，可以作為電子穿梭（electron shuttles），在細菌內部接受電子，以還原態的形式到達細胞外部，然后移動到電極表面把電子轉移到電極；（3）細菌可能會自己產生中介物作為電子穿梭，用于細胞外的電子轉移；（4）細菌和電極緊密接觸，使電子通過細胞膜直接從細菌轉移到電極。為了從實驗上證實哪一種機制起主導作用，美國哈佛大學Charles M. Lieber院士研究組巧妙地設計了一組對照實驗，在導電電極表面覆蓋不同微納圖案的絕緣層。其中，表面覆蓋有納米孔陣列絕緣層的電極可以阻止細菌和電極的直接接觸；而表面覆蓋有尺寸較大的微米級窗口絕緣層的電極可以讓有限數量的細菌與電極直接接觸。通過對照實驗發現Shewanella oneidensis MR-1細菌和電極之間的電子轉移是由中介物電子轉移機制占主導作用；Geobacter sulfurreducens DL-1細菌和電極之間的電子轉移是由直接的電子轉移機制占主導作用。有趣的是，美國微生物科學院院士Derek R. Lovley教授研究組發現Geobacter細菌在一定條件下能生長出具有高電導率的蛋白質納米線，這更有利于細菌和電極之間高效的直接電子傳輸。

圖6 微生物燃料電池

4.2 納米電極結構優化

細菌和電極之間的電子轉移是制約微生物燃料電池功率密度的重要因素。一維納米材料（納米線、納米管等）因具有連續的電子傳輸路徑、大的比表面積、易形成網狀結構等特點，有利于增強細菌和無機電極材料的電子傳輸。美國斯坦福大學崔屹教授及其合作者使用碳納米管包覆的海綿復合物作為電極組裝微生物燃料電池，這種碳納米管海綿電極具有很低的內阻、均勻的大孔結構和增強的力學性能，提高了微生物燃料電池的功率密度。Zhao等人采用導電的PANI納米線三維分級多孔網絡結構修飾的石墨氈作為電極，和Shewanella loihica PV-4細菌組裝成微生物燃料電池，發現大的孔隙率和比表面積使功率密度提高了一個數量級。

5.電生理學

電生理學是一門研究生物細胞或組織的電學特性的科學。主要包括細胞膜電勢變化， 跨膜電流的調節。在神經科學上主要研究神經元的電學特性，尤其是動作電位。它涉及在多種尺度上從單個離子通道蛋白到整個器官如心臟的電壓變化或電流變化的測量值。在神經科學方面，它包括神經元的放電活動的測量，特別是動作電位的活動。記錄來自神經系統的大規模電信號，如腦電圖的記錄，也可以被稱為電生理記錄。

5.1 納米線晶體管

納米線晶體管通常具有源極、漏極和柵極。在源極和漏極間施加電壓，可測得該晶體管的電導，其大小取決于該器件的尺寸和摻雜濃度。在源極和漏極間施加電壓不變的前提下，通過改變柵極電壓，即可改變源極和漏極間的電流。通過在溶液中施加已知的電壓改變柵極電壓，可獲能源極和漏極間電流的變化。在進行細胞測量時，輸入端柵極電壓值變化可由細胞的動作電位代替，當細胞動作電位隨時間變化時，輸出端電流也會隨時間發生相應變化，通過測量其電流變化，經過計算，即可獲得細胞動作電位隨時間的變化。硅納米線作為納米線晶體管材料可以被廣泛用于生物電子器件檢測，得益于其形貌、尺寸、組成和摻雜等重要特性可被精確地控制，特別是當納米線的直徑降低到幾納米時，可以實現微創和精確的檢測。

圖7 納米線場效應晶體管用于電生理學

5.2 細胞外檢測

將細胞組織培養在具有納米線晶體管的三維網狀支架材料上，或將嵌入納米線晶體管的三維網狀電子器件植入活體內，進行長時間穩定電學信號記錄，對于了解生物體的生理活動、組織間信號傳遞與協作具有重要意義。這種網狀支架既可以作為心肌細胞的載體，同時又可實現三維的細胞外動作電位檢測和調節心肌細胞的電活動。

5.3 細胞內檢測

利用三維納米線晶體管，也可實現細胞內動作電位信號檢測。例如，通過CVD的壓強氣流精確控制可獲得彎折結構納米線，通過對納米線摻雜比例的控制，可以實現在納米線前端的小區間獲得局部的FET，彎折的尖端高度局部化的FET可插入細胞中，結合磷脂雙分子層的表面修飾，納米線和細胞膜界面可以形成良好的接觸與密封，進一步減小探針對細胞的損傷和實現高質量細胞內動作電位檢測。

6.總結與展望

本文主要綜述了納米線–生物界面的設計構筑以及在人工光合作用、微生物燃料電池、納米生物電子學等三個領域的應用及優勢。針對納米線–生物界面目前存在的問題和挑戰，我們可以從以下幾個方面考慮進一步優化：（1）人工光合作用納米生物復合系統目前的瓶頸在于單位體積的生產力及生產速率，為了解決這一難題，可以通過優化納米–生物界面來增大納米–生物界面的有效接觸面積。（2）微生物燃料電池是一種很有前景的綠色能源，但目前能量密度和功率密度還比較低。設計構筑具有高電導率的納米線網絡、進一步增強細菌和納米線電極之間的接觸有利于提高電子在納米–生物界面的傳輸效率。（3）納米線場效應晶體管能成功實現高時空分辨率的生物信號的檢測，將納米器件加工的“自下而上”和“自上而下”的優勢結合起來，組裝大面積的納米線場效應晶體管陣列生物傳感器，將會對復雜生物信號的高靈敏度、高分辨率探測具有重要意義。

作者簡介

徐林，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室特聘教授，入選湖北省“青年百人”計劃。2013年，獲得武漢理工大學材料物理與化學博士學位（師從麥立強教授、張清杰院士和Charles M. Lieber院士），2011-2013年在美國哈佛大學作為聯合培養博士。博士畢業以后，先后在美國哈佛大學Lieber院士課題組（2013-2016年）和新加坡南洋理工大學樓雄文教授課題組（2016-2017年）從事博士后研究。主要從事納米能源材料和納米生物傳感器研究，在Nature Nanotech., Nature Commun., Chem, Joule, PNAS, Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Nano Lett.等國際知名期刊發表學術論文40余篇，論文被引用3500余次，7篇論文入選ESI 高被引論文。在分級納米結構電化學儲能材料方面的研究成果作為重要組成部分獲得2014年湖北省自然科學一等獎。

麥立強，武漢理工大學材料學科首席教授，博士生導師，武漢理工大學材料科學與工程國際化示范學院國際事務院長，教育部“長江學者特聘教授”，國家杰出青年基金獲得者，“國家萬人計劃”領軍人才。2004年，獲得武漢理工大學工學博士學位。先后在中國科學院外籍院士美國佐治亞理工學院王中林教授課題組、美國科學院院士哈佛大學Charles M. Lieber教授課題組、美國加州大學伯克利分校楊培東教授課題組從事博士后、高級研究學者研究。長期從事納米能源材料與器件研究，發表SCI論文270余篇，包括Nature及其子刊10篇，Chem. Rev. 1 篇，Adv. Mater. 12篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇，Angew. Chem. Int. Ed. 2篇，PNAS 2篇，Nano Lett. 25篇，Chem. 1篇， Acc. Chem. Res. 1篇，Joule 1篇，Energy Environ. Sci. 1篇，以第一或通訊作者在影響因子10.0以上的期刊發表論文80余篇。主持國家重大基礎研究計劃課題、國家國際科技合作專項、國家自然科學基金等30余項科研項目。獲中國青年科技獎、光華工程科技獎（青年獎）、湖北省自然科學一等獎、侯德榜化工科學技術獎（青年獎）、Nanoscience Research Leader獎，入選國家“百千萬人才工程計劃”、科技部中青年科技創新領軍人才計劃，教育部新世紀優秀人才計劃，并被授予“有突出貢獻中青年專家”榮譽稱號，享受國務院政府特殊津貼。現任Adv. Mater.客座編輯，Joule、Adv. Electron. Mater.國際編委，Nano Res.編委。

文獻信息：Lin Xu, Yunlong Zhao, Kwadwo Asare Owusu, Zechao Zhuang, Qin Liu, Zhaoyang Wang, Zhaohuai Li, Liqiang Mai*, Recent Advances in Nanowire–Biosystem Interface: From Chemical Conversion, Energy Production to Electrophysiology, Chem, 2018, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.04.004.

文獻連接：https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30172-4

麥立強教授課題組網站：http://mai.group.whut.edu.cn

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