基于生物界面阻抗调控的打印式共面微生物电化学晶体管用于可生物降解有机物评估

《npj Clean Water》：Biointerfacial impedance limited ionic gating in a printed microbial electrochemical transistor for BOM evaluation

　　

摘要

监测可生物降解有机物（BOM）对环境评估至关重要，然而微生物电化学传感器经常面临信号漂移和稳定性受限的问题。在这里，我们报道了一种打印式的共面微生物电化学晶体管（pMECT），该晶体管在生物界面阻抗限制的离子调控机制下工作。通过施加栅极偏压作为电化学选择压力，可以在栅极上富集电活性细菌并建立一个稳定的微生物群落。在这种共面架构中，该稳定微生物群落表现出较低的电子转移活性，并且在生物界面阻抗上显示出与BOM浓度相关的稳定变化。生物界面阻抗限制了传递到通道中的净离子电荷，从而在固定偏压下决定了输出电流。在表面水中进行的导电性调节的钠-醋酸盐基质脉冲测试显示，在无参考浓度的条件下，当BOM浓度为1–100毫克/升（mg L^?1）时，电流响应达到饱和；对于固定浓度测量，该系统在约20分钟内达到稳定状态（t99时间），并且在相同条件下一周内电流没有明显变化。这些结果为实现BOM评估的微生物晶体管传感技术提供了概念验证。该器件具有制造工艺稳定、接种操作简便的特点，且电极为一次性使用，成本低廉（低于1美元）。通过利用稳定的栅极微生物群落，它支持将生物界面阻抗限制的离子调控机制作为微生物电化学晶体管的可测量传感途径，为BOM传感技术的进一步发展奠定了基础。