在微生物电化学晶体管中耦合微生物电解回路以放大细胞外电子信号以实现快速 BOM 检测

原创

来源：牛婧媛

2025-11-06 14:57:53

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核心提示：基于微生物电化学晶体管（MECT），通过将微生物电解池（MEC）与有机电化学晶体管（OECT）结合，实验实现了细胞外电子信号的显著放大。结果表明，该设备能够在微秒级内检测到不同浓度的生物降解有机物质（BOM），信号放大倍数约为10⁹。这种新型设备为微生物电子学系统的发展开辟了新途径，有助于推进细胞外电子转移研究和电活性细菌识别的研究。

1.引言

从电活性细菌获取微弱的电子信号对于生物传感、废水处理和生命科学应用至关重要。然而，现有的微生物电化学技术在微尺度上捕获这些信号方面效率低下。虽然有机电子电化学晶体管可以指数级放大信号，但它们缺乏有效的阴极反应来维持电活性细菌的优势群落。因此，开发了一种微生物电化学晶体管，通过使用铂源和漏电极，将微生物电解池与有机电子电化学晶体管相结合。这种设计使得微生物电子电路能够无缝集成到离子门电路中。

本研究开发了一种新型的微生物电化学晶体管（MECT）技术，通过将微生物电解池（MEC）与有机电化学晶体管（OECT）结合，并使用铂作为源和漏电极，解决了电活性细菌微弱电子信号放大的问题。具体来说，MECT技术通过在OECT平台上引入反应性阴极，实现了电子中性条件下的电活性细菌生长和富集。实验结果表明，该技术能够显著放大细胞外电子信号，并在微秒级内检测到不同浓度的生物降解有机物质（BOM），信号放大倍数约为10⁹。这种方法为微生物电子学系统的发展开辟了新途径，有助于推进细胞外电子转移研究和电活性细菌识别的研究

2.结果与讨论

微生物电化学晶体管（MECT）的原理：MECT通过在有机电化学晶体管（OECT）平台上引入反应性阴极，实现了电子中性条件下的电活性细菌生长和富集。碳布栅电极被置于铂源和漏电极之上，并封装在微流控芯片中，以确保高效率和反应性。

图 1 微生物电化学晶体管（MECT）的原理。 a) 微流控MECT装置，栅极（G）位于源极（S）和漏极（D）上方，电解质在微流控芯片中。b) MECT的电极结构。c) MECT的工作原理。d) 本研究与OECT的掺杂机制比较。

微流控MECT系统及其组件：微流控MECT系统展示了其组件，包括接种自批量MFC的微生物阳极（即栅电极）、经过氧等离子体处理的碳布以及封装在PMMA微流控芯片中的铂电极和碳布电极。系统通过连续或批量模式注入样品进行进一步分析。

图 2 微流控MECT系统及其组件。 a) 微流控MECT系统。b) 栅电极上的微生物覆盖情况。c) Pt@PEDOT电极的表面形貌。d) Pt@PEDOT电极上的Pt元素分布。e) Pt@PEDOT电极上的硫元素分布。f) PEDOT和铂基底的拉曼光谱。g) 碳布的微观形貌。h) 等离子体处理前碳布的水接触角。i) 等离子体处理后碳布的水接触角。j) Pt电极和Pt@PEDOT电极的电化学阻抗谱（EIS）。k) Pt电极和Pt@PEDOT电极的线性扫描伏安法（LSV）谱。l) 生物阳极的LSV谱。

OECT与MECT的传输特性比较：OECT和MECT的传输特性比较显示，接种电活性细菌后，MECT的栅极性能显著提高。电活性细菌的接种增加了栅极电容和有效栅极电压，从而增强了MECT的电流输出性能。

图 3 OECT与MECT的转移特性比较。 a) OECT的转移曲线。b) MECT的转移曲线。c) 使用Pt源极和漏极的MECT转移曲线。d) OECT和MECT的转移曲线比较。e) OECT和MECT的最高跨导（gm）比较。f) 非生物栅极和生物栅极的EIS谱。

OECT与MECT的输出特性比较：OECT和MECT的输出特性比较表明，在高源漏电压（Vos）下，MECT表现出更高的氢进化反应（HER）活性和离子注入率，导致电流输出（Iss）显著降低。这一结果表明，MECT在维持OECT特性的同时，通过电活性细菌的电子电路贡献，实现了性能提升。

图 4 OECT与MECT的输出特性比较。a) 非生物碳布电极的栅极性能。b) MECT的栅极性能。c) 非生物碳布电极的输出特性。d) MECT的输出特性。

不同BOM浓度下MECT的电流响应：MECT传感器在批量和连续流动模式下对不同浓度生物降解有机物质（BOM）的电流响应显示，批量模式下检测限为10 mg/L，连续流动模式下检测限为1 mg/L，响应时间小于1分钟。这些结果表明，MECT传感器在在线、快速和灵敏检测BOM方面具有显著优势。

图 5 不同BOM浓度下MECT的电流响应。 a) 原型在线监测系统和微流控MECT。b) 批量模式下不同BOM浓度下MECT的Iss和Ics电流。c) 批量模式下Iss峰值的非线性关系与BOM浓度，R² = 0.994（10-500 mg/L）。d) 连续模式下不同BOM浓度下MECT的Iss电流。e) 连续模式下Iss峰值的线性关系与BOM浓度，R² = 0.970（1-1000 mg/L）。

3.总结

本文提出了一种创新的微生物电化学晶体管（MECT）技术，通过将微生物电解池（MEC）与有机电化学晶体管（OECT）结合，成功放大了电活性细菌产生的细胞外电子信号。MECT技术利用铂作为源和漏电极，实现了电子中性条件下的电活性细菌生长和富集。通过微流控芯片封装和自动化采样系统，MECT传感器在批量和连续流动模式下均表现出优异的性能，具有快速响应、高灵敏度和宽检测范围的优势。此外，MECT传感器在微尺度上实现了高效的细胞外电子信号采集，为生物电子系统在细胞外电子转移研究和电活性细菌识别方面的应用开辟了新的途径。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117856