丹麦理工大学的Zhang Jingdong和XiaoXinxin课题组--胆红素氧化酶定向固定在新型三维还原石墨烯聚集的生物阴极
由于π-π堆积导致的还原氧化石墨烯(RGO)聚集是石墨烯基电化学中反复出现的问题，它会降低有效工作面积，从而影响还原氧化石墨烯电极的性能。将RGO通过部分聚合分散在三维碳纸电极上，是一种克服这个问题的策略。在本报告中，我们报道了带负电荷的4-氨基苯甲酸(4-ABA)接枝到石墨烯功能化的碳纸电极表面。4-ABA的功能化可以分开RGO层，同时导致蓝色多铜的Myrothecium verrucaria来源的胆红素氧化的定向固定，使胆红素氧化酶(MvBOD)在中性pH下的二氧还原反应(ORR)中有利于直接电子转移(DET)。通过施加交变阴极和阳极电化学电势脉冲，同时电还原氧化石墨烯至还原氧化石墨烯，并实现4-ABA的共价附着，从而在静态条件下获得高催化电流密度（Δjcat:193 ± 4 μA cm−2）。电化学接枝的4-ABA不仅会导致BOD的良好取向（如通过将动力学模型拟合到电催化数据所验证的那样），而且还起到减轻RGO聚集的作用（如扫描电子显微镜所揭示），这很可能是由于4-ABA接枝的石墨烯层之间的静电排斥。该生物电极的半衰期为55小时，对于迄今为止报道的DET型基于MvBOD的生物电极也显示出最高的操作稳定性。最终证明该生物电极可以作为无膜葡萄糖/ O2酶促生物燃料电池的生物阴极，具有最大的功率密度为22μWcm-2和0.51 V的开路电压。
Figure 1. GO (a、d、g)，RGO-A (b、e、h) 以及RGO (c、f、i) 纳米材料的SEM, AFM 图和XPS 图谱。
Figure 2. （a）CPG/GO、RGO-A以及GO-A电极的EIS阻抗图，电极在含5 mM 铁氰化钾的100 mM pH 7.0无氧PBS中测试。（a）中右侧插入: 放大的RGO-A与RGO电极的阻抗图的比较。（a）中左侧插入：用于拟合阻抗数据的等效电路。（b）CPG/GO、GO-A、RGO、RGO-A以及RGO-A(N)电极在含有5 mM铁氰化钾的100 mM pH 7.0无氧PBS中，以50 mV/s扫描的CV曲线。（c）在含有[Ru(NH)6]Cl3中50 mV/s下的CV曲线。
Figure 3. （a）基于R-A和RGO-A基质的BOD生物电极的CVs；（c）以及RGO-A和RGO基质在100 mM PBS (pH 7.0)，扫描速率5 mV s−1的CV。（b）投加20μL氧化石墨烯对RGO-A/BOD电极电催化还原O2和ECSA性能的影响。
Figure 4. (a)在氧气饱和的PBS (pH 7.0)中，扫描速率为1 mV s−1，RGO- A、RGO或RGO- A (N)基质上BOD催化还原O2的线性扫描伏安图。(b)在带负电荷的电极表面上，BOD的两种边界取向导致界面电子从电极到BOD的T1铜位点的隧穿距离不同的示意图。
Figure 5 在含有20 mM葡萄糖的空气平衡PBS (100 mM, pH 7.0)中，GOD生物阳极和BOD生物阴极的极化和功率密度曲线。
相关研究成果于2021年由丹麦理工大学的Zhang Jingdong和Xiao Xinxin课题组，共同发表在Biosensors and Bioelectronics（doi：10.1016/j.bios.2020.112500）上，原文：Bilirubin oxidase oriented on novel type three-dimensional biocathodes with reduced graphene aggregation for biocathode。