武汉理工麦立强&徐林Chem综述：纳米线–生物界面进展：从能量转换到电生理学

引语

纳米–生物界面（nano–bio interface）可以看作是连接无机世界和生命世界的桥梁，研究无机纳米材料与生物体在微纳尺度的能量转换与信息传递，在人工光合作用、微生物燃料电池、纳米生物电子学等领域具有广泛的应用。最近，武汉理工大学的麦立强教授（通讯作者）团队在Cell子刊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。该综述主要从纳米线–生物界面的构筑、纳米–细菌人工光合作用将CO₂转化成化学能源、微生物燃料电池、纳米线生物传感器等几个方面讨论了纳米–生物界面的设计原理与应用，最后作出了对纳米–生物界面未来发展的展望。

综述导览图

1.概况

无机纳米材料和生物体分别在能源和生物医学领域具有广泛的应用，无机–生命复合系统能将无机材料和生命物质各自的优势结合起来。该综述选取了基于纳米线–生物界面的人工光合作用、微生物燃料电池、电生理学三个代表性的领域进行了介绍。

（1）在人工光合作用方面，从生物体分离出来的酶能够吸收光并作为催化剂使CO₂转变成化学产品，具有高的选择性和低的能垒的优势，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CO₂还原化学转化的选择性和纯度不高。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命物质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），产电微生物能将有机物质氧化产生电能，具有环境友好的特点。然而，微生物产电的功率密度和效率还比较低。为了解决这一问题，将一维纳米材料与微生物结合可以增强细菌和无机电极之间的电子传输，从而提高电池的功率密度。

（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，然而这些技术很难实现高时空分辨率的检测。作为无机材料里最小的信号处理单元，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的检测和高灵敏度的疾病诊断。

图1 纳米线–生物界面的示意图

2.设计原理

纳米线–生物界面的总体设计原理是使纳米线与生物体形成稳定、紧密的接触实现高效的信号和能量传输，可以采用表面修饰、形貌调控和阵列设计等方式对界面进行优化。本节先从简单纳米线与生物的界面讨论纳米材料相对于块体材料的优势，然后讨论复杂纳米结构对界面的优化。

2.1 直线纳米线

纳米线–生物界面要求直线型纳米线具备以下条件：（1）纳米线的直径和被检测的生物物质的尺寸相当；（2）具有高的灵敏度和信号保真度；（3）具备多尺度信号探测的能力。几个代表性的例子包括通过纳米线记录细菌的运动和吸附，以及通过纳米线器件探测病毒信号等。

图2 纳米线–生物界面举例

2.2 复杂纳米线

和简单纳米线相比，复杂纳米线能进一步优化界面并提供一些新的功能。例如，树枝状纳米线阵列能与细胞形成更稳定的接触以及更多的接触位点。蘑菇状的类似于脊柱形状的纳米线能和神经元形成稳定的接触，增强细胞与电极之间的信号传输，提高传感器的信噪比。弯折形状的纳米线可以像针尖一样进入细胞内部，探测细胞膜内信号，还可以作为微小的力学传感器探测细胞的力学行为。

3.人工光合作用

自然界中的光合作用是绿色植物或某些细菌能够吸收光能，把二氧化碳和水转化成富能有机物，同时释放出氧气。通过这个过程，不仅可以存储太阳能，而且可以有效地固定温室气体二氧化碳。然而，自然界光合作用的转化效率是非常低的。研究者们一直希望效仿自然界光合作用，设计出高效、稳定的人工光合作用系统。利用集成高选择性的生物催化剂和高效光吸收的无机材料构筑的无机材料–细菌光合系统是一个比较可行的思路，其类型可以根据细菌与无机材料的复合类型分为接触型复合系统和分散型复合系统。

3.1 接触型复合系统

最有代表性的接触型复合光合系统是由加州大学伯克利分校的杨培东院士开创的。杨培东院士团队将厌氧型细菌（Sporomusa ovata）培育在硅纳米线阵列上。硅纳米线构筑的阵列可以作为光吸收器，纳米线的形貌不仅提供了很大的与细菌接触的比表面积，而且创造了有利于CO₂还原的局部厌氧环境。这种生物兼容纳米材料–细菌复合系统在温和条件下能够实现高转化效率和稳定性。此外，他们在非光合型细菌（Moorella thermoacetica）表面复合了光敏感的CdS纳米颗粒，这种生物复合系统集成了具有高吸收效率的无机纳米材料和具有高选择性、低成本、自修复的生物催化剂。CdS作为光吸收器捕获光能，向细菌内输送氢离子，并在内部进行CO₂还原，进而产生乙酸。

图3 接触型硅纳米线–细菌CO₂还原

图4 接触型CdS–细菌CO₂还原

3.2 分散型复合系统

最有代表性的分散型复合光合系统来自于哈佛大学的Daniel G. Nocera教授所设计的“水分解催化剂细菌”策略。他们构筑了一种可扩展的、可集成的生物电化学系统，利用磷酸钴（CoPi）和NiMoZn合金分别作为水分解阳极和阴极催化剂材料，产生的氢气被细菌（Ralstonia eutropha）所利用来还原CO₂制备液体燃料。该人工光合作用系统的效率可以达到3.2%。进一步，Nocera教授团队设计了一种更为高效的人工光合作用系统，利用磷酸钴（CoPi）和钴-磷合金分别作为水分解阳极和阴极材料。在氧气存在下，低二氧化碳浓度环境下，Ralstonia eutropha细菌消耗水分解所产生的氢气来制备生物质和燃料。钴-磷催化剂具有更好的生物兼容性，整个系统的人工光合作用效率可达10%，远远超过自然界中的光合作用系统。

图5 分散型系统用于CO₂还原

4.微生物燃料电池

微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，其中一个关键的步骤是电子在微生物与电极之间的传输。本节先介绍电子在纳米–生物界面的传输机制，然后讨论电极结构的优化。

4.1 电子传输机制

微生物和电极之间的电子传输机制有以下四种可能的类型：（1）还原态的产物，如氢、氨或乙醇等，可能在电极表面被氧化将电子转移到电极上；（2）一些人造的中介物，如硫堇、联苄吡啶、吩嗪等，可以作为电子穿梭（electron shuttles），在细菌内部接受电子，以还原态的形式到达细胞外部，然后移动到电极表面把电子转移到电极；（3）细菌可能会自己产生中介物作为电子穿梭，用于细胞外的电子转移；（4）细菌和电极紧密接触，使电子通过细胞膜直接从细菌转移到电极。为了从实验上证实哪一种机制起主导作用，美国哈佛大学Charles M. Lieber院士研究组巧妙地设计了一组对照实验，在导电电极表面覆盖不同微纳图案的绝缘层。其中，表面覆盖有纳米孔阵列绝缘层的电极可以阻止细菌和电极的直接接触；而表面覆盖有尺寸较大的微米级窗口绝缘层的电极可以让有限数量的细菌与电极直接接触。通过对照实验发现Shewanella oneidensis MR-1细菌和电极之间的电子转移是由中介物电子转移机制占主导作用；Geobacter sulfurreducens DL-1细菌和电极之间的电子转移是由直接的电子转移机制占主导作用。有趣的是，美国微生物科学院院士Derek R. Lovley教授研究组发现Geobacter细菌在一定条件下能生长出具有高电导率的蛋白质纳米线，这更有利于细菌和电极之间高效的直接电子传输。

图6 微生物燃料电池

4.2 纳米电极结构优化

细菌和电极之间的电子转移是制约微生物燃料电池功率密度的重要因素。一维纳米材料（纳米线、纳米管等）因具有连续的电子传输路径、大的比表面积、易形成网状结构等特点，有利于增强细菌和无机电极材料的电子传输。美国斯坦福大学崔屹教授及其合作者使用碳纳米管包覆的海绵复合物作为电极组装微生物燃料电池，这种碳纳米管海绵电极具有很低的内阻、均匀的大孔结构和增强的力学性能，提高了微生物燃料电池的功率密度。Zhao等人采用导电的PANI纳米线三维分级多孔网络结构修饰的石墨毡作为电极，和Shewanella loihica PV-4细菌组装成微生物燃料电池，发现大的孔隙率和比表面积使功率密度提高了一个数量级。

5.电生理学

电生理学是一门研究生物细胞或组织的电学特性的科学。主要包括细胞膜电势变化， 跨膜电流的调节。在神经科学上主要研究神经元的电学特性，尤其是动作电位。它涉及在多种尺度上从单个离子通道蛋白到整个器官如心脏的电压变化或电流变化的测量值。在神经科学方面，它包括神经元的放电活动的测量，特别是动作电位的活动。记录来自神经系统的大规模电信号，如脑电图的记录，也可以被称为电生理记录。

5.1 纳米线晶体管

纳米线晶体管通常具有源极、漏极和栅极。在源极和漏极间施加电压，可测得该晶体管的电导，其大小取决于该器件的尺寸和掺杂浓度。在源极和漏极间施加电压不变的前提下，通过改变栅极电压，即可改变源极和漏极间的电流。通过在溶液中施加已知的电压改变栅极电压，可获能源极和漏极间电流的变化。在进行细胞测量时，输入端栅极电压值变化可由细胞的动作电位代替，当细胞动作电位随时间变化时，输出端电流也会随时间发生相应变化，通过测量其电流变化，经过计算，即可获得细胞动作电位随时间的变化。硅纳米线作为纳米线晶体管材料可以被广泛用于生物电子器件检测，得益于其形貌、尺寸、组成和掺杂等重要特性可被精确地控制，特别是当纳米线的直径降低到几纳米时，可以实现微创和精确的检测。

图7 纳米线场效应晶体管用于电生理学

5.2 细胞外检测

将细胞组织培养在具有纳米线晶体管的三维网状支架材料上，或将嵌入纳米线晶体管的三维网状电子器件植入活体内，进行长时间稳定电学信号记录，对于了解生物体的生理活动、组织间信号传递与协作具有重要意义。这种网状支架既可以作为心肌细胞的载体，同时又可实现三维的细胞外动作电位检测和调节心肌细胞的电活动。

5.3 细胞内检测

利用三维纳米线晶体管，也可实现细胞内动作电位信号检测。例如，通过CVD的压强气流精确控制可获得弯折结构纳米线，通过对纳米线掺杂比例的控制，可以实现在纳米线前端的小区间获得局部的FET，弯折的尖端高度局部化的FET可插入细胞中，结合磷脂双分子层的表面修饰，纳米线和细胞膜界面可以形成良好的接触与密封，进一步减小探针对细胞的损伤和实现高质量细胞内动作电位检测。

6.总结与展望

本文主要综述了纳米线–生物界面的设计构筑以及在人工光合作用、微生物燃料电池、纳米生物电子学等三个领域的应用及优势。针对纳米线–生物界面目前存在的问题和挑战，我们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目前的瓶颈在于单位体积的生产力及生产速率，为了解决这一难题，可以通过优化纳米–生物界面来增大纳米–生物界面的有效接触面积。（2）微生物燃料电池是一种很有前景的绿色能源，但目前能量密度和功率密度还比较低。设计构筑具有高电导率的纳米线网络、进一步增强细菌和纳米线电极之间的接触有利于提高电子在纳米–生物界面的传输效率。（3）纳米线场效应晶体管能成功实现高时空分辨率的生物信号的检测，将纳米器件加工的“自下而上”和“自上而下”的优势结合起来，组装大面积的纳米线场效应晶体管阵列生物传感器，将会对复杂生物信号的高灵敏度、高分辨率探测具有重要意义。

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Lieber院士课题组（2013-2016年）和新加坡南洋理工大学楼雄文教授课题组（2016-2017年）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，博士生导师，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。2004年，获得武汉理工大学工学博士学位。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，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文80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，Joule、Adv. 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, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.04.004.

文献连接：https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30172-4

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

麦立强教授课题组微信公众号：MLQ_group

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