庄凯  

(ju999.net ，四川省 都江堰市 611837)

摘要：酶燃料电池是基于酶的催化性质的一类燃料电池。本文主要对酶燃料电池的原理、酶的固定作了较为详细的概述；综述了介孔二氧化硅材料在酶燃料电池中的应用研究进展。

关键词：介孔二氧化硅 酶燃料电池 原理 研究进展

The implication development of mesoporous silica on enzyme fuel cell

Zhuang kai

（Sichuan business and technology collage , Dujiangyan Sichuan Province, 611837）

Abstract: enzyme fuel cell was based on the catalytic property of enzyme. In this paper, the Prin-

ciple of enzyme cell and the immobilization of enzyme were introduced. Also , The implication d-

evelopment of mesoporous silica on enzyme fuel cell was summarized.

Key words: mesoporous silica enzyme fuel cell Principle development

能源是人类赖以生存和发展的关键因素，尤其实在社会经济高速发展的今天，使得地

球上可供使用的不可再生的能源日趋枯竭。地球上化石燃料的储量有限以及使用过程中带来

的环境污染，使得寻找清洁可再生的替代能源成为一项迫切的任务。生物能源—生物燃料

电池就是在这种背景下产生的。酶燃料电池是燃料电池中特殊的一类[1]。它是利用酶(EnZyme)作为催化剂，将储存在燃料中的能量通过电化学过程直接转化为直流电的装置，是一种清洁、高效、安静运行的电化学发动机，除了在理论上具有很高的能量转化效率之外，还有其它燃料电池不具备的特点，如原料广泛，操作条件温和，生物相容性好等，具有巨大的科研价值。

    介孔二氧化硅材料是一种形貌可控，具有大比表面积、生物相容性好的载体材料，广泛应用于化学催化领域。由于其优良的特性，近年受到酶燃料电池研究者的广泛关注。本文主要介绍了酶燃料电池的原理、酶的固定方法；综述了介孔二氧化硅材料在酶燃料电池研究中的一些进展。

1 酶燃料电池的基本原理[2]

    酶生物燃料电池是先将酶从生物体系中提取出来，然后利用其活性在阳极催化诸如葡萄

图1 酶燃料电池原理图

（作者简介：庄凯，男，出生于1980年，工学硕士，主要从事电极材料、多孔材料的研究）

糖、甲醇等燃料分子氧化，同时使阴极氧的还原，生成二氧化碳和水。如图1所示：酶燃料

电池的结构与其他电池相似，也有阳极、阴极，称为酶燃料电池的电极。酶燃料电池的电极主要由电流集流极、载体、酶等组成，根据电极上酶的种类多少可分为单酶电极和多酶电极。

2 酶在燃料电池电极上的固定【3】

酶燃料电池中的酶是电池发电中的活性点，在酶的活性中心发生氧化还原反应。但是酶非常小，通常常在纳米尺度下，为了提高酶的催化效率，需要将酶固定在高比表面积载体上。

2.1酶燃料电池酶固定载体

酶固定载体是酶的承载体，通过共价键、物理吸附等方法与酶连接。有的载体不仅起到固定作用，利用其自身的导电性，还能起到导电作用。酶燃料电池所用载体主要有：高分子载体如天然高分子载体材料（壳聚糖、琼脂、海藻酸钠和丝素膜）、合成高分子载体材料（球状纤维素单宁树脂、溶胶-凝胶膜、离子交换聚合物膜[聚磺酸酯膜(Eastman AQ)]、树枝状高聚物）等；无机载体如碳载体包括碳纳米管介孔碳材料、SiO2纳米颗粒、介孔分子筛SBA-15等；复合载体材料如壳聚糖和碳纳米管的复合载体、碳纳米管掺杂到硅溶胶-凝胶膜等；导电聚合物：聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯等。

2.2酶的固定方法

     为了使酶具有高的催化效率，避免酶在催化过程中的流失，需要将酶固定起来。酶的固定方法如图2所示：

（1）共价键法：使非水溶性载体与酶或氧化还原蛋白质共价结合通过共聚反应而制成酶或氧化还原蛋白质的衍生物，根据结合形式分为重氮法、肽键法、烷化法等。

 图2 酶的固定方法

（2）离子键法：是在具有离子交换基团的不溶性载体中，使酶或氧化还原蛋白质与离子结合的方法。离子交换体有DEAE-纤维素，TEAE-纤维素，CM-纤维素，DEAE-交联葡聚糖聚氨酯，聚苯乙烯等通常使用离子交换树脂。

    （3）物理吸附法：是用非水溶性载体物理吸附酶或氧化还原蛋白质，使其固定的方法。一般在水不溶性物质吸附酶或氧化还原蛋白质时，随着pH、溶剂性质，离子强度，酶或氧化还原蛋白质的浓度，溶剂种类和温度等条件的不同而有差异。所用载体有活性炭、介孔材料、羟基磷灰石、磷酸钙凝胶等。

（4）交联法：交联法是以具有二个功能基团的试剂，使酶ε-氨基N-末端的α-氨基，酪氨酸的酚基或半胱氨酸方法。交联法采用的交联试剂有戊二醛、无水丁顺丁烯二酰亚胺、环己烷二氰酰、双偶氮苯等。

（5）包埋法：包埋法是使酶或氧化还原蛋白质粘结在凝胶的微细格子中，或者用半透膜性的聚合物薄膜包裹酶或氧化还原蛋白质的方法。本法的特征是将酶或氧化还原蛋白质，用高分子的立体型网孔包埋，生物大分子不会流出网格之外，但底物的生成物却容易从网格中流出根据其形状分为网格型与微胶囊型。       

3 介孔二氧化硅在酶燃料电池中的应用

    酶燃料电池的研究现阶段主要集中在载体材料的制备，多酶电极的制备及酶与电极之间电子传输效率的研究上。

Fan等人[4]探讨了传统形貌与棒状形貌SBA-15材料对溶菌酶的吸附性能。结果表明，较小尺寸的棒状材料表现出较大的酶的固载量及较快的吸附速率。在同样的吸附条件下，小尺寸棒状SBA-15材料可在10 min内达到最大的酶固载量（约533 mg/g），而对于传统形貌的纤维聚集状SBA-15材料，吸附速率及吸附量均较低，最大吸附量仅为70 mg/g。Liu等[5]以一系列形貌材料为载体，对酶吸附行为进行了讨论。研究发现，酶的吸附性能与材料的形貌息息相关，相比于棒状形貌介孔材料而言，空心球状形貌介孔材料具有较高的溶菌酶的吸附量，并且，发现吸附速率与空心球表面性质也有一定关系。最近，研究发现拥有较小颗粒尺寸的介孔二氧化硅纳米粒子拥有大的固载量，因此被广泛用作药物和蛋白的载体材料[6]。此外，大量研究者还考察了诸如管状、块状及空心球等形貌材料对酶吸附行为的影响[7-9]。

Weber等人[10]研究发现，当载体材料孔径远大于酶分子尺寸时，不利于保持的酶活性。Ikemoto等[11]采用孔径大小为7.6 nm的材料固定辣根过氧化物酶时，固定酶的稳定性得到了大大的提高。研究表明：载体材料孔径与酶分子尺寸较好匹配，能降低酶分子的流失，从而提高其稳定性。Washmon-Kriel等[12]将细胞色素c固定于具有不同孔道结构的介孔二氧化硅材料上，对孔道结构对酶吸附行为的影响进行了探讨。结果表明，与一维和二维孔道结构材料相比，三维孔道结构的材料具有较高的固定量。

Meunier等[13]采用共价结合方法对酶葡萄糖氧化酶、脂肪酶及胰蛋白酶等进行了固定，结果表明，该法能够有效地提高固定酶的稳定性。Gao等[14]以表面氨基功能化介SBA-15材料为载体，在戊二醛的交联作用下，考察了对青霉素酰化酶（PGA）固定化行为。结果表明，固定化PGA具有较好的重复使用性能，且能长时间保持较高的相对活性。Itoh[15]等研究了乙氧基修饰的介孔材料对亚铁血红蛋白的固定行为，研究发现，固定化亚铁血红蛋白保持了与自由酶相近的高活性，而且具有较好的稳定性。Yiu等[16]考察了表面改性SBA-15材料对酶的固定性能，结果表明改性后的材料能显著提高固定酶的稳定性。此外，Chong等[17]研究了表面改性SBA-15材料固定青霉素酰基转移酶的性能，发现表面改性可提高酶的固载量及活性。

4 结论

酶燃料电池经过近一个世纪的发展，取得了一定研究进展，但是总体说来，对酶燃料电池的研究还处于基础研究阶段，与实际应用还有一定的距离。其原因主要有两个方面：一是功率密度较低。由于功率密度较低，在很多方面都不能满足功率需求，所以限制了酶燃料电池的应用；二是酶燃料电池实际寿命较短。现阶段酶通过固定，酶的有效寿命只有2-3个月，使用寿命太短，无法满足实际使用要求。

介孔二氧化硅在酶燃料电池中的应用研究中，通过控制形貌、孔道结构、孔径分布以及采用合适的固定方法，使得酶燃料电池的性能得到了一定优化，并取得了一定成果。但是介孔二氧化硅材料是一种半导体材料，导电性不佳，对酶燃料电池的功率密度的提高影响较大。因此，在保持介孔二氧化硅材料高吸附量、良好生物相容性等优良特点的前提下，通过一定方法提高其导电性将是介孔二氧化材料在酶燃料电池研究中的一个重点。

参考文献：

[1].X.X.Cao，P.Liang，X.Huang.AmembraneeleetrodeassemblytyPedmierobialfueleellfor

   eleetrieitygeneration.[月ActaSeieneeCircumst以iae，2006，26(8):1252一1257.

[2].C.M.Moore，5.D.Mlnteer，R.S.M叭in.LabonaChiP.2005，5(2):218~225.

[3].周晓云主编.酶学原理与酶工程，中国轻工业出版社，2005，93.

[4] Fan J, Lei J, Wang LM, Yu CZ, Tu B, Zhao DY. Rapid and high-capacity immobilization of enzymes based on mesoporous silicas with controlled morphologies [J]. Chem. Commun. 2003, 3: 2140-2141.

[5] Liu J, Li CM, Yang QH, Yang J, Li C. Morphological and structural evolution of mesoporous silicas in a mild buffer solution and lysozyme adsorption [J]. Langmuir, 2007, 23: 7255-7262.

[6] Chen Y, Chen C, Hung Y, Chou C, Liu T, Liang M, Chen C, Mou C. A new strategy for intracellular delivery of enzyme using mesoporous silica nanoparticles: superoxide dismutase [J]. J. Am. Chem. Soc., 2013, 135: 1516-1523.

[7] Cao ZX, Zhang J, Zeng JL, Sun LX, Xu F, Cao Z, Zhang L, Yang DW. Mesoporous silica hollow sphere (MSHS) for the bioelectrochemistry of horseradish peroxidase [J]. Talanta, 2009, 77: 943-947.

[8]杨洪斌,陈奇,宋鹂,陆剑英,李会平.双孔块状SiO2载体材料的孔结构及其酶活性的研究[J]. 无机化学学报, 2007, 23: 164-168.

[9]蒋利伟,袁其朋,肖清贵.葡萄糖氧化酶在管状空心SiO2载体上的固定化[J]. 北京化工大学学报（自然科学版）, 2007, 34: 428-431.

[10] Weber E, Sirim D, Schreiber T, Thomas B, Pleiss J, Hunger M, Gläser R, Urlacher VB. Immobilization of P450 BM-3 monooxygenase on mesoporous molecular sieves with different pore diameters [J]. J. Mol. Catal. B: Enzym., 2010, 64: 29-37.

[11] Ikemoto H, Chi Q, Ulstrup J. Stability and catalytic kinetics of horseradish peroxidase confined in nanoporous SBA-15 [J]. J. Phys. Chem. C, 2010, 114: 16174-16180.

[12] Washmon-Kriel L, Jimenez VL, Balkus Jr KJ. Cytochrome c immobilization into mesoporous molecular sieves [J]. J. Mol. Catal. B: Enzymatic, 2000,10: 453-469.

[13] Meunier CF, Yang XY, Rooke JC, Su BL. Biofuel cells based on the immobilization of photosynthetically active bioentities [J]. Chem. Cat. Chem., 2011, 3: 476-488.

[14] 高波,朱广山,付学奇,滕利荣,陈静,王春艳,裘式纶.介孔材料的修饰及固定青霉素酰化酶的稳定性研究[J]. 高等学校化学学报. 2006, 27: 1823-1826.

[15] Itoh T, Ishii R, Ebina T, Hanaoka T, Ikeda T, Urabe Y, Fukushima Y, Mizukami F. Effective immobilization of subunit protein in mesoporous silica modified with ethanol [J]. Biotechnol. Bioeng. 2007, 97: 200-205.

[16] Yiu HHP, Wright PA, Botting NP. Enzyme immobilisation using SBA-15 mesoporous molecular sieves with functionalised surfaces. J. Mol. Catal. B: Enzymatic, 2001, 15: 81-92.

[17] Chong ASM, Zhao XS. Functionalized nanoporous silicas for the immobilization of penieillinaeylase [J]. Appl. Surf. Sci. 2004, 237: 398-404.