海洋所开发基于海洋能量自驱动的微生物腐蚀防护及传感新技术

最近，中国科学院海洋研究所与中国科学院北京纳米能源与系统研究所等单位合作，开发了自驱动海洋微生物腐蚀预警及防护技术。相关成果发表在《Advanced Energy Materials》（IF=29）、《Nano Energy》（IF=19）、《Advanced Functional Materials》（IF=19）等国际学术期刊上。

: c" Y! ]& ]* B$ D- L! i  j该技术不依赖外界电源输入，可直接利用海洋环境能量等机械能实现对海洋环境典型腐蚀微生物的快速检测及有效防护，可以为海洋工程、大型装备的安全运行提供保障，也为我国海洋探索、开发、利用提供技术支持。

　　据估算，2021年我国因海洋腐蚀造成的经济损失超过10000亿元人民币，其中，生物腐蚀占总海洋腐蚀损失的20%左右。海洋微生物腐蚀预警及防护技术开发对海洋工程运行来说至关重要。如何快速获得环境微生物种类等信息，以及如何利用环境能量驱动微生物防护技术是亟待解决的问题。
 
5 A; E2 m' l% R, T# Y% N　　研究团队基于摩擦纳米产电原理，优化设计了软接触式等多种摩擦纳米发电机模型，可将人体、海洋环境的能量转化电能。在此基础上，将产生的电能作为传感信号源，利用万古霉素对微生物细胞壁的特异结合特性识别并捕获微生物，利用胍基官能团功能化的多壁碳纳米管被作为信号放大材料，通过测量生物传感器的电压变化，实现快速地、特异性地检测溶液中的微生物（图1）。另外，通过结构设计与优化，提高了摩擦纳米发电机的输出电压，获得电能输出效率远超目前文献报道的摩擦纳米发电机模型，并将该技术与尖端击穿放电、紫外杀菌技术结合，实现了自驱动高效新型灭菌技术开发（图2）。
 
: j5 L3 E$ q: T  ~, A$ \6 c- \! E

                               
登录/注册后可看大图

( V8 t& N& k3 ]  N2 T4 o- I
! P4 z1 d+ p9 B5 {! q) [图1. 摩擦纳米发电机驱动的生物传感系统的制备和检测示意图
 
( \0 ~5 S. ]9 y2 z

                               
登录/注册后可看大图

! Y* s, M* r& f
图2. 基于环境能量转化的微生物腐蚀控制技术示意图.
+ R1 }; ~6 S# o" ] 
　　论文信息：
3 g7 T4 p7 Z. u0 R. M( D$ w$ F 
　　1.Changyang Li, Hengyu Guo, Zhiyi Wu, Peng Wang*, Dun Zhang, Yihan Sun, Self-Healable Triboelectric Nanogenerators: Marriage between Self-Healing Polymer Chemistry and Triboelectric Devices, Advanced Functional Materials, 2022, 220832
' f4 M( W# v1 S% a, g 
5 z2 f# O# x! E: O' _　　2.Congyu Wang, Peng Wang*, Junhuan Chen , Liyang Zhu , Dun Zhang , Yi Wan , Shiyun Ai，Self-powered biosensing system driven by triboelectric nanogenerator for specific detection of Gram-positive bacteria，Nano Energy, 2022,93,106828
3 h9 Z' h! f2 q 
2 n; u' ~) |! G7 c6 A! y2 k　　3.Zhou Zhou , Peng Wang*, Jiawei Li, Congyu Wang, Junhuan Chen, Liyang Zhu, Haitao Zhu, Dun Zhang, A self-powered microbiosensor system for specific bacteria detection based on triboelectric nanogenerator, Nano Energy, 2022,98,107317
 
　　4.Junhuan Chen, Xuelian Wei, Baocheng Wang, Ruonan Li, Yanggui Sun, Yating Peng, Zhiyi Wu*, Peng Wang*, Zhong Lin Wang*, Design Optimization of Soft-Contact Freestanding Rotary Triboelectric Nanogenerator for High-Output Performance, Advanced Energy Materials,2021,11, 2102106.
 
$ {; C! d, {  m& v1 L' ]3 Y/ \　　5.Junhuan Chen, Peng Wang*, Jiawei Li, Congyu Wang, Junlei Wang, Dun Zhang, Yating Peng, Baocheng Wang, ZhiyiWu*, Self-Powered Antifouling UVC Pipeline Sterilizer Driven by the Discharge Stimuli Based on the Modified Freestanding Rotary Triboelectric Nanogenerator, Nano Energy,2022, 95, 106969.
9 }- G8 m& S# v  r& E- }