构筑酶内多氢键环境和导电通道提高酶燃料电池的电子产生和传输效率

Enzyme fuel cells are getting more and more attention due to their advantages such as greenness and good biocompatibility. Enzymes are the most important component, acting as catalysts in enzyme fuel cells. Low electron production rate and the electrons transport efficiency, however, result in poor cell performance with low output power and short battery life, limiting the wide application of enzymatic fuel cells. Based on the structural characteristics of the enzyme and the requirements of electrochemical applications, we believes that the optimal catalytic environment and internal conductive channel from the active center to the enzyme surface might increase the electron production rate and electron transport efficiency, respectively. The project will use polysaccharides to construct enzyme nanocapsules to increase the electron production rate by introducing multiple hydrogen bond interactions, as well as use the “immersion” in-situ polymerization of conductive polymers to build conductive channels within the enzyme to improve the electron transport efficiency. Finally, through the combined effects of multiple hydrogen bonding interactions and conductive channels, the performance of the enzyme can be fully enhanced both in terms of electron generation and transport. On this basis, the structure, properties and electrochemical application prospects of the above enzyme nanocapsules are systematically studied, providing a more optimized enzyme system for the preparation of high-performance enzymatic fuel cells.

酶燃料电池因绿色、生物相容性好等优点得到越来越多的关注。酶在酶燃料电池中充当催化剂，是其关键组成部分。然而，酶在燃料催化过程中电子产生速度慢，电子从活性中心传输到酶表面及电极的效率低，从而导致酶燃料电池输出功率低、电池寿命短，限制了其广泛应用。针对上述酶燃料电池的关键科学问题，本项目提出通过构筑酶的最优催化环境及构建从活性中心到酶表面的导电通道，分别提高酶的电子产生速度和传输效率，从而达到提升酶燃料电池性能的目的。为了实现上述学术思想，我们利用多糖构筑酶纳米胶囊，通过引入多氢键相互作用模拟酶的最优催化环境，提高酶的电子产生速度。利用“浸入式”原位聚合导电聚合物搭建酶内导电通道，提高酶内电子传输效率。最后，结合多氢键环境和导电通道，从电子产生和传输两方面全面高酶的催化性能，在此基础上系统研究上述酶纳米胶囊的结构、性能和电化学应用前景，为制备高性能的酶燃料电池提供更优化的酶体系。.。

葡萄糖氧化酶能够高效的将生物体内的化学物质（葡萄糖）转变成电信号，能够作为医疗检测中的酶检测电极或酶基自供能燃料电池，在可穿戴、微植入检测器件领域有很好的应用前景。氧化还原酶作为其中的关键组分，其结构对检测器的性能具有重大影响。一部分氧化还原酶的活性中心通常被蛋白质外壳深深包埋，导致酶活性中心产生的电子无法有效传递到电极表面，因此酶与电极之间的电子传递速率低；此外，酶是一种蛋白质分子，它们对外界环境（温度、溶剂、pH值等）高度敏感，因此稳定性差；这些因素导致酶检测电极仍存在着输出功率低和使用寿命短的两大问题，限制了其应用和发展。.围绕如何为提高酶与电极之间电子传递速率的关键问题，我们的具体思路是在酶中引入快速电子传输通道从而在酶与电极之间构建更有效的电子传输界面；具体方法是采用原位聚合制备电活性酶纳米胶囊，原位聚合能够更好的保留酶的活性，而且酶的纳米胶囊化能够极大提高酶的稳定性；具体选择的材料是具备电活性的氧化还原聚合物和导电聚合物，酶被电活性聚合物包覆之后，酶活性中心的电子能够通过电活性聚合物快速传递到电极，从而提高酶与电极之间的电子传输速率。从基于间接电子转移(mediated electron transfer, MET)的氧化还原聚合物包覆酶纳米胶囊及其优化，到基于直接电子转移(direct electron transfer, DET)的导电聚合物包覆酶纳米胶囊都获得了较高的电子传递速率。基于此技术，构建了葡萄糖生物传感器，该传感器具有低检测电势，高灵敏度，良好的抗干扰性能，快速响应和出色的稳定性。同时构建了酶生物燃料电池，该电池具有优异的输出性能和长的寿命，其最大功率密度分别是基于天然GOx的386倍和245倍。.项目的研究成果，是构筑二代和三代葡萄糖检测器的关键技术，技术思路与国外相关工作由显著差异，能够参与并帮助国内的血糖传感器公司形成技术超越和迭代。