课件：昆虫生物燃料电池.ppt

一种植入式活虫生物燃料电池,葛畅 201448660108078,参考文献,An Implantable Biofuel Cell for a Live Insect Journal of the American Chemical Society(2012)134:14581460,引言,在昆虫身上装置微小探测器进行情报搜集并非只是间谍小说或科幻电影里的发明。已经有科学家成功利用背上了微小摄影机或其他侦测器的昆虫用于情报搜集，还将这些昆虫送进人类无法企及之处进行任务。例如，这些昆虫可以用来寻觅地震后被埋在瓦砾之下的幸存者。,缩略词,Tre 海藻糖酶(trehalase),GOx 葡萄糖氧化酶(glucose oxidase),BOD 胆红素氧化酶(bilirubin oxidase),PBS 磷酸盐缓冲液(Phosphate Buffered Saline),Tr 海藻糖(trehalose),Gl 葡萄糖(glucose),mM 毫摩每升(mmol/L),目标与电池设计,目标：设计利用昆虫的新陈代谢系统来供能的电池。,电池设计：如Figure1所示，用能够分解蟑螂体内海藻糖的海藻糖酶及葡萄糖氧化酶（Tre|GOx）作为阳极，胆红素氧化酶（BOD）作为阴极。,电池原理,海藻糖(Tr)广泛存在于昆虫等无脊椎动物体内，是昆虫活动的能量来源，其作用就有如我们身体中的葡萄糖(Gl)。阳极端的海藻糖酶(Tre)可以将蟑螂体内的海藻糖(Tr)分解为葡萄糖(Gl)，然后再藉由葡萄糖氧化酶(GOx)取出葡萄糖(Gl)内的电子。阴极端的胆红素氧化酶(BOD)则可攫取阳极端产生的电子，将氧气转为水。如此一来就完成完整的电池电流回路。,实验结果与分析,以Ag/AgCl电极为参比电极，碳棒电极为对电极，在试管内分别测试海藻糖酶及葡萄糖氧化酶电极、胆红素氧化酶电极的电催化活性。,电池表达式分别如下 Tre|GOx|Os(dm-bpy)2Cl|carbon rod electrode BOD|Os(bpy)2Cl|carbon rod electrode,实验过程中电极相同，介质不同，以论证海藻糖和氧气分别是酶电极阳极和阴极活性的来源。,介质如下 black in solutions of PBS exposed to air red 50mM Tr in PBS exposed to air blue N2-purged PBS green 50mM Tr in N2-purged PBS,实验结果与分析,以海藻糖酶及葡萄糖氧化酶(Tre|GOx)作为阳极，胆红素氧化酶(BOD)作为阴极。在试管内测试该燃料电池在不同介质内的功率密度，重复五次实验。,由上个实验知，酶修饰电极具有电催化活性，海藻糖和氧气分别是酶电极阳极和阴极活性的来源。,介质如下 black in solutions of PBS exposed to air red 50mM Tr in PBS exposed to air blue N2-purged PBS green 50mM Tr in N2-purged PBS,实验结果与分析,由上个实验知，海藻糖和氧气是该酶电极燃料电池缺一不可的能源。,接下来，将电极移植到蟑螂中进行实验。,实验结果与分析,如Figure2所示，选择雌性蟑螂，因为雌性的腹腔相比于雄性更大，将电极插入蟑螂腹腔的两个切口中。腹腔有一个大的低血压窦，可以无任何伤害的被电极刺入。用订书针固定住蟑螂的腿防止活动。被植入电极的蟑螂在手术后的行动并无大碍。,实验结果与分析,以五组不同的电极，在相同介质(蟑螂血液)中实验，以论证酶修饰电极(Tre|GOx为阳极，BOD为阴极)在昆虫生物燃料电池中的必要性。,需要指出的是，蟑螂血液中海藻糖(Tr)浓度大约为30mM。,电极如下 red 酶修饰电极 black 裸碳电极 blue 无任何酶修饰的锇电极 green 阳极不含GOx含Tre purple 阳极含GOx不含Tre,实验结果与分析,没有在图中显示的是，过了45分钟酶修饰电极昆虫燃料电池的峰值功率密度由55w/cm增加到了100 w/cm，又过了两个小时，仅仅下降了百分之6.5。,上个实验证明，酶修饰电极(Tre|GOx为阳极，BOD为阴极)是昆虫生物燃料电池中不可或缺的。,实验结果与分析,2019/8/30,17,可编辑,由于真菌类也富含海藻糖，为了检验这个电池是否可以用在其他含有海藻糖的生物体内，将电极植入香菇的柄中。,实验结果与分析,电极如下 red 酶修饰电极 black 裸碳电极 blue 无任何酶修饰的锇电极 green 阳极不含GOx含Tre purple 阳极含GOx不含Tre,仍以五组不同的电极，在相同介质(香菇)中实验。,实验结果与分析,上个实验证明，该电池在真菌中也有一定的效果。,补充材料中说明，几个海藻糖酶(Tre)电极连接在一起可以增大峰值功率密度，这说明输出功率主要由阳极反应控制。,讨论与展望,虽然这个电池可以将蟑螂及香菇内的海藻糖及空气中的氧气转化为电能以提供微型电子装置使用，不过所产生的低电流却不适合用于电量大的装置。,美国五角大楼国防部高级研究计划署(DARPA)也对这种昆虫产生电流的实