《Bioelectrochemistry》：Microalgae cells with extracellular gold nanoparticles for enhanced Photobioelectrochemical activity
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为解决光生物电化学系统（PBEs）中细胞-电极界面电子转移效率低的关键瓶颈，研究人员探索了将金纳米粒子（AuNPs）整合至小球藻细胞膜以构建等离子体生物杂化光生物电极的新策略。研究发现，在生长培养基中添加AuNPs培养获得的杂化细胞，其光电流密度相比未修饰细胞提升了74%，最高可达132 μA cm?2，且不影响细胞活性。该工作为设计高性能的太阳能-电能转换系统提供了一种简易有效的生物电化学工程新途径。
将取之不尽、用之不竭的太阳能转化为可便捷使用的电能，是人类对清洁、可持续能源的永恒追求。在自然界，微藻等光合微生物早已进化出高效捕捉太阳光能并将其转化为化学能的精妙“工厂”。科学家们试图模仿并利用这套天然的“机器”，构建所谓的光生物电化学系统（PBEs），让这些微小的“生物电池”为我们发电。然而，美好的愿景在实践中遇到了不小的挑战，其核心瓶颈在于：光合细胞自身产生的电子，很难有效穿过其复杂的细胞膜屏障，传递到外部的人造电极上，导致能量转换效率大打折扣。如何打通细胞与电极之间的“电子高速公路”，成为提升这类生物能源器件性能的关键。
为了攻克这一难题，来自巴西圣保罗州立大学化学研究所的研究团队独辟蹊径，将目光投向了纳米技术领域的明星材料——金纳米粒子（AuNPs）。金纳米粒子以其独特的局域表面等离子体共振效应、良好的生物相容性以及对生物膜的选择性相互作用能力而备受关注。研究人员猜想，如果能够将金纳米粒子精准地“锚定”在微藻细胞的表面，它们是否既能像“信号放大器”一样增强细胞对光的捕获，又能像“电子渡船”一样，帮助光生电子更快地“摆渡”到电极上？基于这一构想，他们开展了一项旨在通过等离子体生物杂化策略来增强微藻基光生物电极性能的研究，相关成果发表在《Bioelectrochemistry》期刊上。
研究人员为验证其设想，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用经典的Turkevich法合成金纳米粒子，并通过紫外-可见吸收光谱、动态光散射等技术进行表征。其次，以小球藻为模式生物，探索了两种将金纳米粒子整合到细胞中的策略：物理混合法与在含金纳米粒子的培养基中培养法。随后，利用透射电子显微镜直观观察了金纳米粒子在细胞膜上的定位情况。在电极构建与性能评估方面，通过滴涂法将修饰或未修饰的微藻细胞固定于玻碳电极表面，并使用透析膜进行物理包埋，构建了光生物阳极。最后，在三电极体系中，采用计时电流法等电化学技术，在含铁氰化钾/亚铁氰化钾氧化还原介体的磷酸盐缓冲液中，系统评估了不同条件下光生物电极的光电流响应、光谱依赖性及电子转移效率等性能。此外，还通过测定光合色素含量、监测细胞生长曲线以及进行荧光光谱分析，综合评价了金纳米粒子修饰对细胞活性和光合系统功能的影响。
3.1. 小球藻细胞负载量对光电流的影响
初步实验确定了用于电极修饰的最佳细胞浓度。通过测试不同光密度（OD680，从0.2到20.0）的细胞悬液所制备电极的光电流响应，发现光电流输出随用于修饰的细胞悬液OD值增加而逐步升高。在OD680为10时获得了最高的光电流（26 μA cm?2），因此后续实验采用此负载量。
3.2. 小球藻-金纳米粒子的光生物电化学性能
研究人员比较了两种修饰策略（直接混合法 vs. 培养基培养法）的效果。计时电流测试表明，采用在含金纳米粒子的培养基中培养细胞的策略，所制备的光生物电极产生了显著高于未修饰细胞的光电流响应。而直接混合法制备的电极，其光电流与未修饰细胞相比无显著差异。透射电镜表征直接证实，在培养基中培养的策略使得金纳米粒子成功地定位在了细胞壁上，这为其增强性能提供了结构基础。光电流的提升可能源于金纳米粒子的双重作用：一是作为导电桥促进电子转移；二是其等离子体效应增强了可见光区域的光吸收。
3.3. 金纳米粒子对电子转移的影响及机制
在介导电子转移条件下，小球藻-金纳米粒子生物杂化系统相比未修饰细胞表现出光电流的持续增加。这表明金纳米粒子改善了电荷转移动力学。荧光光谱分析为此提供了佐证：修饰了金纳米粒子的小球藻，其叶绿素a在687 nm处的荧光发射峰强度减弱但未发生位移。这暗示金纳米粒子可能促进了光生电荷载流子的更有效分离，减少了激发态的能量耗散，同时证明光合装置结构保持完整，体现了修饰策略的生物相容性。
3.4. 小球藻-金纳米粒子系统的优化
通过对多个参数的系统优化，研究找到了最佳性能条件：在培养基中添加的金纳米粒子最佳浓度为0.86 mg L?1；溶液中氧化还原介体铁氰化钾/亚铁氰化钾的最佳浓度为5.0 mM；滴涂在电极表面的最佳生物杂化悬液体积为7.0 μL；最佳施加电位为0.5 V (vs. Ag/AgCl/3.0 M KCl)。
3.5. 不同光照条件下的响应及电子流来源
研究人员测试了系统在不同波长单色光照射下的光电流响应。在525 nm光照下，小球藻-金纳米粒子电极获得了最高的单色光光电流响应和入射光子-电流转换效率（达2.47%），这恰好与金纳米粒子的等离子体共振峰位置一致，表明了等离子体增强效应的关键贡献。通过使用光系统II抑制剂DCMU进行处理，发现光电流下降了约52%，证实了所产生的光电流中，有相当一部分来源于光系统II依赖的电子传递途径。
3.6. 金纳米粒子对光合色素和细胞生长的影响
至关重要的生物相容性评估显示，在所使用的浓度下，金纳米粒子对小球藻细胞的生长动力学、叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素的含量均未产生统计学上的显著影响。细胞生长曲线在有无金纳米粒子的条件下也基本重合。这充分证明，该修饰策略在有效提升电化学性能的同时，并未损害细胞的活性和正常生理功能。
综上所述，本研究成功开发了一种创新且生物相容的策略，通过将金纳米粒子锚定在小球藻细胞膜外，有效增强了微藻基光生物电极的光捕获能力和电子转移效率。金纳米粒子发挥了双重协同作用：作为细胞-电极界面的电子中继站，以及通过局域表面等离子体共振增强光吸收。优化后的生物杂化电极产生了高达132 μA cm?2的光电流密度，比未修饰细胞的电极提升了74%，且未损害细胞活性、色素完整性或生长动力学。机理研究表明，金纳米粒子主要促进了介导电子转移过程，并可能通过等离子体效应在特定波长（如525 nm）下共振增强光激发。
这项工作的核心意义在于，它巧妙地将纳米技术与光合生物技术相结合，为理性设计高性能的生物杂化电极界面提供了一条简易、非基因改造且低毒性的新路径。它不仅深化了人们对纳米材料与光合生物系统相互作用机制的理解，更重要的是，为开发下一代用于可持续能源转换的高效光生物电化学器件提供了一个可扩展的平台原型，推动了清洁能源技术向更绿色、更仿生的方向发展。
