13-07-12052, ОФИ_М_2013

Аннотация по исследованиям Лаборатории в 2013 г по тематике

"Создание нового класса источников питания для биосенсоров на основе биотопливого элемента (БТЭ), содержащего микробные клетки и блок преобразования и накопления зарядки электрической энергии".

 

В 2013 г. были получены следующие результаты.

- Разработаны и описаны методики формирования анода биотопливных элементов на основе микробных клеток Gluconobacter oxydans ВКМ B-1280 и катода на основе фермента грибной лакказы Trametes hirsute.

В качестве материала электродов были использованы углеродные материалы – спектральный графит, терморасширенный графит (ТРГ) и углеродные наноматериалы – многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) и аналог ЗD – графена - расширенные соединения интеркалированного графита.

Иммобилизацию биологического материала производили тремя способами – физической сорбцией, встраиванием в гель хитозана, встраиванием в гель модифицированного N-винилпирролидоном поливинилового спирта (ПВС). В качестве топлива использовали глюкозу.

Исследованы биоэлектрохимические свойства анодов, а именно, зависимость тока от времени и напряжения, для всех случаев композиции электродов построены циклические вольтамперные характеристики, построены мощностные характеристики – зависимость развиваемой мощности от напряжения. Использованные материалы характеризовались высокими значениями параметра "отношение поверхности к объему" (диапазон 2500 – 5000 м2/грамм), что позволило получить высокую поверхностную концентрацию иммобилизованного биоматериала и, как следствие, генерируемую мощность. Контроль количества иммобилизованного биоматериала осуществляли с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Показали, что в сравнении со спектральным графитом (контрольное состояние анода, максимальная мощность составляет 2.5 и 3.0 мкВт/см2 при включении в ПВС и в хитозан, соответственно) наибольшую максимальную мощность развивали аноды, полученные сорбцией микробных клеток на электроды, изготовленные из МУНТ, ТРГ и аналога графена (соответственно, 3.6, 6.0 и 4.7 мкВт/см2); указанным мощностям соответствовали значения внутреннего сопротивления Rвн, равные, соответственно, 2.5, 7.0 и 2.6 кОм; напряжения холостого хода источников составляли, соответственно, 135, 290 и 200 мВ.

Данный тип анодов, включая биоматериал, а также тип углеродной нанокомпозиции является основой микробного биотопливного элемента при разработке блока преобразования и накопления электрической энергии.

- На основе анализа математической модели БТЭ, к главным параметрам устройства отнесли максимальную мощность, напряжение холостого хода и внутреннее сопротивление. Рассмотрена возможность сопряжения БТЭ с контроллером преобразования и накопления энергии. В качестве базовой схемы выбрана микросхема bq25504 (Texas Instruments, США). Основными параметрами микросхемы являются низкий ток покоя с типовым значением 330 нА, позволяющий микросхеме включаться от низковольтных устройств типа БТЭ, и высокий КПД, превышающий 80%.

- Выполнен анализ литературных данных и произведен выбор условий эксперимента по демонстрации принципиальной возможности получения электрической энергии на основе инвазивного БТЭ; предполагается, что потенциальным объектом исследования может являться организм травяной лягушки.

Исследования по иммобилизации микробных клеток и фермента на использованные графитовые материалы и наноматериалы в Российской Федерации выполнены впервые. По материалам исследования опубликованы 4 статьи в журналах, входящих в список ВАК и цитируемых в eLibrary (Российский индекс научного цитирования). Поставленные задачи выполнены полностью.

Зав. Лаб биосенсоров

дхн. проф. Решетилов А.Н.

 


142290 Московская область, г.Пущино, пр-т Науки, д.5, Тел./факс: (495)956-33-70, boronin@ibpm.pushchino.ru; rta@ibpm.pushchino.ru; www.ibpm.ru


Разработка сайта - Alces