研究人员利用蛋白质纳米线开发出高灵敏生物电子氨气传感器

据麦姆斯咨询报道，马萨诸塞大学阿默斯特分校(University of Massachusetts Amherst)的一支研究团队本周在《纳米研究》(Nano Research)期刊中撰文称，他们开发出了有史以来最为敏感的生物电子氨气传感器。

该传感器使用来自Geobacter细菌的导电蛋白质纳米线为电子装置提供生物材料。30多年前，资深作者、生物学家Derek Lovley在河泥中发现了Geobacter细菌。这些微生物会长出毛发状的蛋白质细丝，作为纳米级“电线”转移电荷滋养细菌，并实现与其它细菌之间的交流。

该论文的第一作者、生物医学系博士生Alexander Smith及其导师Jun Yao和Lovley表示，他们设计了第一款这类测量氨气的传感器，因为氨气对农业、环境和生物医学都至关重要。例如，人体呼出的氨气可能代表某种疾病;在家禽养殖中，必须对氨气进行严密监测和控制，以保证家禽的健康和舒适，并避免饲料不平衡和生产损失。

Yao指出，“这款传感器可以实现高精度传感，比此前的电子传感器要好得多。”Smith解释道，“每次我用这款传感器进行新实验时，我都会感到惊喜。它们实际运作起来超出我们的预期，我认为它们可以在今后的日常生活中发挥积极作用。”

Smith认为，现有电子传感器的灵敏度通常受限或较低，并且容易受到其它气体的干扰。除了卓越的功能和低成本外，他补充道，“我们的传感器是可生物降解的，因此不会产生电子垃圾，而且它们使用可再生原料，通过细菌持续生产，不需要有毒的化学物质。”

读博期间，Smith将其作为研究工作的一部分进行了为期18个月的实验。从Lovley的早期研究中可以获知，蛋白质纳米线的电导率会随着pH值(蛋白质纳米线周围溶液的酸性或碱性水平)的变化而变化。Smith受此启发，测试了它们是否能够对生物传感的分子结合作出高灵敏度反应。他指出，“如果将它们暴露于化学物质中，其性质会发生变化，你就可以测量反应。”

当他将纳米线暴露在氨气中时，Smith说，“传感器的反应非常明显，这对我们而言意义重大。研究早期，我们发现可以通过某种方式调整传感器来展示这一重要反应。它们确实对氨气非常敏感，对其它化合物的敏感度则低得多，因此该传感器可以用于非常具体的应用。”

Lovley补充说明道，“这种非常稳定的纳米线能持续很长时间，在使用数月后，传感器始终功能强大且运作良好，这是非常了不起的。”

Yao惊叹道，“这些蛋白质纳米线总会给我带来惊喜。这一新用途与我们此前的工作领域完全不同。”研究团队此前曾报道过使用蛋白质纳米线利用湿度收集能量，并将其用作生物计算的忆阻器。

Smith自称为“创业者”，在马萨诸塞大学阿默斯特分校的2018年创新挑战(Innovation Challenge)中，他与电子生物材料系的Yao和Lovley共同组建的公司获得了创业商业计划第一名。研究团队跟进了此后的专利申请、融资、商业发展以及研发计划事宜。

Lovley总结道，“这项工作是生物纳米线传感器的首个概念验证产品。回归实验室后，我们将开发用于其它化合物的传感器，我们正在努力调整以使其适用于其它化合物。”

这项工作从国家科学基金会(National Science Foundation)，马萨诸塞大学阿默斯特分校技术商业化和风险投资(Technology Commercialization and Ventures)办公室以及该校分层制造中心(Center for Hierarchical Manufacturing)，国家科学基金会资助的纳米科学与工程中心(Nanoscale Science and Engineering Center)获得了职业资助和研究生研究奖学金(Graduate Research Fellowship)支持。