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武汉理工大学麦立强/徐林教授Chem综述: 纳米线–生物界面在能源与生物领域研究进展

人类文明在很大程度上依赖于能源与生物医学等领域的可持续发展,纳米–生物界面(nano–bio interface)作为一个平台,可以实现无机材料与生物体在微纳尺度的能量转换和信息传递,帮助了解潜在的化学和生理过程,实现更高效的能源生产和转换,生理诊断和治疗。
最近,武汉理工大学的麦立强教授(通讯作者)团队在Cell姐妹刊Chem应邀发表了题为“Recent Advances in Nanowire–Biosystem Interface: From Chemical Conversion, Energy Production to Electrophysiology”的综述文章。

武汉理工大学徐林教授和美国哈佛大学博士后赵云龙为论文共同第一作者。该综述主要介绍了基于纳米线–生物界面的人工光合作用、微生物燃料电池、电生理学为主的三个代表性的领域(如图所示)。

  1. 在人工光合作用方面,与化学催化剂相比,从生物体分离出的酶不仅能够存储太阳能而且可以有效地固定温室气体二氧化碳,具有100%的高度选择性和较低的能量势垒,然而转换效率只有0.5–2%;纳米无机半导体光伏材料具有高达20%的转换效率,然而非生物电化学CO2还原选择性和纯度不高。因此,纳米无机–生命复合光合系统(Photosynthetic Biohybrid System, PBS)有望将无机材料高的转换效率和生物催化剂高的选择性的优势结合起来。
  2. 在微生物燃料电池方面(Microbial Fuel Cell, MFC),产电微生物可氧化有机物质并产生电能,具有环境友好的特点,但功率密度和效率相对较低。为了解决这个问题,结合导电一维纳米线或纳米管网络结构可以增加从微生物到无机材料的电子传输,这对提高电池的功率密度具有重大意义。
  3. 在电生理学方面,心电图和脑电图已经被广泛应用于心脏和脑部的医学诊断,但是实现高时间和空间分辨率的检测是这项技术中的重大难题。作为最小的信号处理单元之一,纳米线场效应晶体管(Field-Effect Transistor, FET)有望实现高时空分辨率的生物信号检测。
武汉理工大学麦立强/徐林教授Chem综述: 纳米线–生物界面在能源与生物领域研究进展
纳米线–生物界面应用的示意图和显微照片

(a) 纳米线–生物界面应用的示意图. (1) 纳米无机–生命复合光合系统 (Photosynthetic Biohybrid System, PBS); (2)微生物燃料电池 (Microbial Fuel Cell, MFC); (3)用于电生理学检测的纳米线场效应晶体管 (Field-Effect Transistor, FET)

(b-d) 纳米线–生物界面应用的显微照片. (b) 用于人工光合作用的纳米线–细菌界面; (c) 用于微生物燃料电池的纳米电极–细菌界面; (d) 用于电生理检测的纳米线生物探针

针对纳米线–生物界面目前存在的问题和挑战,可以从以下几个方面考虑进一步优化:

  1. 人工光合作用纳米生物复合系统的高产率会造成严重的氧化环境,导致生物系统破坏。因此,可以通过增大纳米–生物界面的有效接触面积,合成高密度的纳米级无机材料来实现高产率并保持适合微生物生存的环境。
  2. 微生物燃料电池是一种极具吸引力的绿色能源,但目前能量密度和功率密度都还比较低。高电导率的纳米线网络的设计与实现以及细菌和纳米线电极之间接触的进一步优化,对提高电子在纳米–生物界面的传输效率有重要意义。
  3. 单个场效应晶体管已经在细胞和亚细胞水平上成功实现了高时空分辨率的生物信号检测,但纳米线器件的阵列化是一个难点。结合“自下而上”的合成方法和“自上而下”的纳米制造技术的优势,大规模组装纳米线场效应晶体管阵列,将会给大脑中的复杂神经信号传输的研究开辟新的视角。

作者简介

徐林,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室特聘教授,入选湖北省“青年百人”计划。2013年,获得武汉理工大学材料物理与化学博士学位(师从麦立强教授、张清杰院士和Charles M. Lieber院士),2011-2013年在美国哈佛大学作为联合培养博士。博士毕业以后,先后在美国哈佛大学和新加坡南洋理工大学从事博士后研究。主要从事纳米能源材料和纳米生物传感器研究,在Nature Nanotech., Nature Commun., Chem, Joule, PNAS, Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Nano Lett.等国际知名期刊发表学术论文40余篇,论文被引用3500余次,7篇论文入选ESI 高被引论文。在分级纳米结构电化学储能材料方面的研究成果作为重要组成部分获得2014年湖北省自然科学一等奖。

麦立强,武汉理工大学材料学科首席教授,武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院国际事务院长,教育部“长江学者特聘教授”,国家杰出青年基金获得者,国家“万人计划”领军人才,国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。先后在中国科学院外籍院士美国佐治亚理工学院王中林教授课题组、美国科学院院士哈佛大学Charles M. Lieber教授课题组、美国加州大学伯克利分校杨培东教授课题组从事博士后、高级研究学者研究。长期从事纳米能源材料与器件研究,发表SCI论文280余篇。主持国家重大基础研究计划课题、国家国际科技合作专项、国家自然科学基金等30余项科研项目。获中国青年科技奖、光华工程科技奖(青年奖)、湖北省自然科学一等奖、侯德榜化工科学技术奖(青年奖)、Nanoscience Research Leader奖,入选国家“百千万人才工程计划”、科技部中青年科技创新领军人才计划,教育部新世纪优秀人才计划,并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号,享受国务院政府特殊津贴。现任Adv. Mater.客座编辑,JouleAdv. Electron. Mater.国际编委,Nano Res.编委。

文献信息: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, 4, 1538-1559.

文献连接Share Link:https://authors.elsevier.com/a/1XNJe8jWHD-W4S

麦立强教授课题组网站:http://mai.group.whut.edu.cn

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