新型生物电子化学传感器使用蛋白质纳米线实现卓越的灵敏度

从地球细菌（背景）收集的蛋白质纳米线（浅绿色）夹在电极（金）之间，形成用于检测生物分子的生物电子传感器（红色）。

麻省大学阿默斯特分校的团队推出了高性能的“绿色”电子传感器。

马萨诸塞州阿默斯特大学的一个团队在《纳米研究》（NanoResearch）杂志上写道，他们本周报道说，他们已经开发出生物电子氨气传感器，这是迄今为止最敏感的生物传感器之一。

该传感器使用源自细菌Geobacter的导电蛋白纳米线来为电气设备提供生物材料。30多年前，资深作者和微生物学家德里克·洛夫利（Derek Lovley）在河泥中发现了Geobacter。微生物会长出像头发一样的蛋白质细丝，充当纳米级“金属丝”，以转移其营养的电荷并与其他细菌进行通讯。

生物医学工程博士学位的第一作者和第一作者，亚历山大·史密斯（Alexander Smith）及其顾问Jun Yao和Lovley说，他们设计了这种用于测量氨的第一个传感器，因为该气体对农业，环境和生物医学很重要。例如，在人类中，呼吸中的氨气可能预示着疾病，而在禽类养殖中，必须对禽类的健康和舒适性进行严密监测和控制，避免饲料不平衡和生产损失。

姚说：“这种传感器使您可以进行高精度传感；它比以前的电子传感器要好得多。”史密斯补充说：“每次进行新的实验时，我都会感到惊喜。我们没想到他们会像他们一样出色地工作。我真的认为他们可以对世界产生真正的积极影响。”

史密斯（Smith）说，现有的电子传感器通常灵敏度有限或低，并且容易受到其他气体的干扰。他补充说，除了卓越的功能和低成本之外，“我们的传感器是可生物降解的，因此不会产生电子废物，而且它们是使用可再生原料通过细菌可持续产生的，而无需使用有毒化学物质。”

史密斯（Smith）在过去的18个月中，作为博士学位的一部分进行了实验。工作。从洛夫利（Lovley）的早期研究中得知，蛋白质纳米线的电导率随蛋白质纳米线周围溶液的pH值（酸或碱水平）而变化。这促使研究人员测试了这样一种想法，即他们可以对生物传感的分子结合高度敏感。“如果将它们暴露于化学物质中，则其性质会发生变化，并且可以测量响应，” Smith指出。

史密斯说，当他将纳米线暴露在氨气中时，“反应确实非常显着且显着”。“很早以前，我们发现我们可以以显示这种显着响应的方式来调整传感器。它们确实对氨非常敏感，对其他化合物的敏感程度则要低得多，因此传感器可以非常具体。”

Lovley补充说，“非常稳定”的纳米线可以持续很长时间，传感器在使用数月后，其功能始终如一且稳定可靠，并且运行良好，“非常了不起”。

姚说：“这些蛋白质纳米线总是令我惊讶。这种新用途与我们以前工作的领域完全不同。”先前，该研究小组曾报道使用蛋白质纳米线从湿度中收集能量，并将其用作生物计算的忆阻器。

史密斯自称为“企业家”，凭借与姚明和e-Biologics共同创立的公司的创业业务计划，在UMass Amherst的2018年创新挑战赛中获得第一名。研究人员跟进了专利申请，筹款，业务发展以及研发计划。

Lovley说：“这项工作是纳米线传感器的第一个概念验证。回到实验室后，我们将开发用于其他化合物的传感器。我们正在努力针对其他化合物对其进行调整。”

参考：亚历山大·F·史密斯，刘小萌，特雷弗·伍德德，田大夫，托德·艾默克，胡安·吉门尼斯，德里克·洛夫利和姚明，“用于氨气检测的生物电子蛋白质纳米线传感器”，2020年5月11日，纳米研究。DOI ：
10.1007 / s12274-020-2825-6

对这项工作的支持来自国家科学基金会，马萨诸塞州立大学马萨诸塞州阿默斯特分校的技术商业化和风险投资办公室以及校园的分层制造中心（由NSF资助的纳米级科学和工程中心）获得的职业发展奖学金和研究生研究奖学金。