组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
乙酸（acetate，电子供体底物）；样品基质：乙酸改良生活污水/无机盐培养基
检测原理
在阳极室中，产电微生物附着于硅纳米草或金纳米颗粒修饰的碳纸电极表面，氧化乙酸等有机物，并通过胞外电子传递将电子转移到电极；质子经质子交换膜迁移至阴极，阴极中的铁氰化钾（K3Fe(CN)6）接受电子完成回路。纳米草和金纳米颗粒通过增大电极比表面积、降低接触电阻并提高微生物负载量，增强电子转移与电流输出。外电路接 1000 Ω 电阻，电压随微生物活性和底物氧化速率变化，功率密度反映电极结构与导电性对 MFC 发电的增强效果。
检测灵敏度
—
效应效果
无接种对照未产生功率，说明发电由阳极微生物催化。碳纸溅射 Au 纳米颗粒后最大稳定功率密度为 346.9 mW/m2，较传统碳纸 119.6 mW/m2 提高 2.9 倍，且达到峰值时间由 428 h 缩短至 150 h；峰值后 100 h 仍约 200 mW/m2，高于传统碳纸峰值。Ti/Au 沉积于纳米草的功率密度为 2.5 mW/m2，约为普通硅片 Ti/Au 电极 0.04 mW/m2 的 63 倍；普通硅片两侧沉积 Ti/Au 达 86.0 mW/m2。Cu 电极因脱落导致功率低。作者认为纳米结构碳纸电极可降低成本并促进 MFC 用于废水处理与能量回收，该结果支持纳米电极在低成本 MFC 中的应用潜力。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：硅片（Si wafer，HighSi 100 Ωm、LowSi 0.025 Ωm）或碳纸（Toray carbon paper, E-TEK），提供电子传导与微生物附着基底
- 纳米结构修饰层：DRIE 制备的硅纳米草（nanograss，black silicon nanograss），扩大电极比表面积并促进生物膜附着
- 导电金属修饰层：Ti 10 nm 粘附层与 Au 100 nm 或 Cu 100 nm 沉积层，降低电极电阻并增强电子转移
- 金纳米颗粒修饰层：溅射沉积的 Au nanoparticles，用于碳纸电极表面，提高导电性并降低电阻
- 微生物催化/识别元件：来自乙酸改良生活污水 MFC 阳极的产电微生物膜（anodic biofilm），氧化底物并向电极传递电子
- 质子交换膜：分隔阳极与阴极，允许质子（H+）从阳极迁移至阴极
- 外部电路与读出：导线、Silver Nano Paste、环氧树脂密封、1000 Ω 负载电阻和 Keithley 2700 多用电表，监测电压并计算功率密度
中文摘要
微生物燃料电池（MFCs）可用于废水处理、生物转化和生物传感，但高效电极材料是提升发电量的关键。本研究采用两类经纳米颗粒或草状纳米结构（纳米草）修饰的电极，并通过不同沉积方式比较电极对功率密度的影响。双室 MFC 中，普通硅电极最大功率密度为 0.002 mW/m2；在一侧沉积钛和金纳米草的电极最大功率密度为 2.5 mW/m2；在普通硅片两侧沉积钛和金后，最大功率密度达 86.0 mW/m2。进一步用金纳米颗粒扩大碳纸电极表面积，获得最大稳定功率密度 346.9 mW/m2，为传统碳纸的 2.9 倍。结果表明，制备纳米草电极是提高 MFC 发电量的有效途径。
英文摘要
Microbial fuel cells (MFCs) have applications possibilities for wastewater treatment, biotransformation, and biosensor, but the development of highly efficient electrode materials is critical for enhancing the power generation. Two types of electrodes modified with nanoparticles or grass-like nanostructure (termed nanograss) were used. A two-chamber MFC with plain silicium electrodes achieved a maximum power density of 0.002mW/m(2), while an electrode with nanograss of titanium and gold deposited on one side gave a maximum power density of 2.5mW/m(2). Deposition of titanium and gold on both sides of plain silicium showed a maximum power density of 86.0mW/m(2). Further expanding the surface area of carbon-paper electrodes with gold nanoparticles resulted in a maximum stable power density of 346.9mW/m(2) which is 2.9 times higher than that achieved with conventional carbon-paper. These results show that fabrication of electrodes with nanograss could be an efficient way to increase the power generation.