Высокий

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 14649 (2022 г.) Цитировать эту статью

1476 Доступов

4 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом исследовании характеристики биотопливного элемента на бумажной основе с трафаретной печатью и мезопористыми углеродными электродами с шаблоном MgO (MgOC) были улучшены в два этапа. Сначала к чернилам MgOC добавляли небольшое количество карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ). Затем катод модифицировали билирубином перед иммобилизацией билирубиноксидазы (БПК). КМЦ увеличила доступность мезопор MgOC и, следовательно, производительность как биоанода, так и биокатода. КМЦ также, вероятно, увеличила стабильность электродов. Предварительная модификация билирубином улучшила ориентацию БПК, что способствовало прямому переносу электронов. С помощью этих двух этапов были достигнуты потенциал разомкнутой цепи 0,65 В, максимальная плотность тока 1,94 мА см-2 и максимальная плотность мощности 465 мкВт см-2 с использованием лактатоксидазы в качестве биоанодного фермента и лактата в качестве топлива. Это один из самых высоких показателей для биотопливного элемента.

Мезопористые углеродные материалы являются одним из наиболее привлекательных материалов для изготовления биоэлектрохимических устройств, таких как биосенсоры и биотопливные элементы1,2,3. Эти материалы сочетают в себе высокую проводимость, большую площадь поверхности и отличную биосовместимость, отлично подходят для изготовления электродов и матриц для иммобилизации ферментов. Ян и др. сообщили о повышенной стабильности температуры и pH, когда глюкозооксидаза была иммобилизована на упорядоченном мезопористом углероде4. Среди различных типов мезопористых углеродных материалов выделяются оксидные темплатные углероды. Размер пор оксидного углерода можно контролировать, контролируя размер оксидного шаблона5,6,7,8,9. Одним из таких углеродных шаблонов с оксидом является шаблонный углерод MgO (MgOC), который коммерчески доступен5,6. Влияние размера пор MgOC на прямую электрохимию было исследовано для D-фруктозодегидрогеназы10 и билирубиноксидазы (БПК)11,12. Кроме того, биотопливные элементы (BFC), изготовленные из углеродной ткани, модифицированной чернилами MgOC, имели высокую выходную мощность 2 мВт · см-213 и 4,3 мВт · см-214 с глюкозодегидрогеназой (GDH) и лактатоксидазой (LOx) в качестве ферментов соответственно.

Чернила MgOC также являются первым шагом в изготовлении MgOC-электрода с трафаретной печатью. Проводящий углеродный материал в красках для трафаретной печати должен равномерно распределяться под действием напряжения сдвига, приложенного во время печати. Неравномерная дисперсия может привести к частичной хрупкости электрода (где присутствует слишком мало связующего) и/или к частичному увеличению сопротивления (когда присутствует слишком много связующего). Более высокая дисперсность также может привести к более высокой степени пористости, поскольку комкование становится менее вероятным. Небольшие количества добавок могут улучшить дисперсию чернил, не влияя на проводимость и, следовательно, на качество и воспроизводимость печатного электрода. Однако, хотя биосовместимые и устойчивые материалы, такие как карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), использовались в качестве диспергаторов для углеродных материалов15, диспергаторы не рассматривались для чернил MgOC для трафаретной печати.

Электроды с трафаретной печатью перспективны для изготовления носимых биосенсоров, особенно для здравоохранения16,17,18. Носимым биосенсорам в последние годы уделяется значительное внимание в связи с тенденцией к более персонализированному медицинскому обслуживанию пациентов в режиме реального времени, а также более тщательному мониторингу физического состояния высококвалифицированных специалистов, таких как спортсмены, на основе данных. и пожарные. Аналогичным образом, значительное внимание также уделяется носимым BFC, как в качестве сборщиков энергии, так и в качестве датчиков с автономным питанием19,20,21,22. Будучи сборщиками энергии, носимые BFC собирают энергию из глюкозы или лактата, содержащихся в жидкостях организма, для питания небольших устройств. Носимые BFC в качестве датчиков с автономным питанием используют тот факт, что мощность, собранная из глюкозы или лактата в любой момент времени, зависит от концентрации соответствующего топлива. Датчики с автономным питанием не требуют источника энергии для чувствительного устройства. Некоторые примеры носимых биосенсоров и BFC встроены в носовую подушечку очков23, микрофлюидики, изготовленные из мягкого материала24,25, изготовленные на тонкой гибкой пленке25,26, татуированные27, на текстильной основе28,29 и на бумажной основе30,31 ,32.