周明：电化学生物电子器件！

纳米人

2018-05-29

从硕士研究生开始，我的科研工作一直围绕着电化学生物传感器开展，包括考察不同碳材料在电化学（特别是安培型）生物传感器中的应用，以及基于生物燃料电池的自我供电型电化学生物电子器件的设计与应用。我们在这两个方向上做了一些独特、有趣和系统的研究工作，主要体现在以下五个方面：

1、基于石墨烯的电化学

使用具有二维单层结构的石墨烯作为电极材料构筑基于石墨烯的电化学传感平台。

石墨烯修饰电极在不需要水解、标记或利用其他电化学媒介体或指示剂的情况下检测单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms）。此外石墨烯修饰电极对多种电化学活性物质的电化学催化展示出比石墨修饰电极和玻碳电极更快的电子转移速率。基于石墨烯的脱氢酶和氧化酶生物传感器比基于石墨和玻碳的生物传感器对乙醇和葡萄糖具有更好的分析性能。因此具有良好电化学性能的石墨烯对于构筑电化学传感平台（从安培传感器、安培酶生物传感器到非标记脱氧核糖核酸生物传感器）非常有利。

参考文献：Ming Zhou, Yueming Zhai and Shaojun Dong*. Electrochemical Sensing and Biosensing Platform Based on Chemically Reduced Graphene Oxide. Anal. Chem. 2009, 81, 5603-5613.至今被引870余次。

使用简单、廉价、有效、绿色和环境友好的电化学方法制备石墨烯膜。

创新性的提出基于电化学还原法制备石墨烯，首次用基于氢离子的三相界面模型解释该方法的机理。基于电化学还原法成功制备石墨烯膜的提出不但有利于石墨烯氧化物和石墨烯的基础研究，更有利于用绿色和环境友好的方法制备各种基于石墨烯的器件。

参考文献：Ming Zhou, Shaojun Dong et al. Controlled Synthesis of Large-Area and Patterned Electrochemically Reduced Graphene Oxide Films. Chem. Eur. J. 2009, 15, 6116-6120.

2、基于有序介孔碳的电化学传感器及生物燃料电池

利用有序介孔碳作为电极基底构筑电化学传感平台和生物燃料电池。

其性能高于以碳纳米管为基底构筑的电化学传感器和生物燃料电池。这些说明具有三维相互交叉和有序孔道结构的有序介孔碳是除碳纳米管以外另一种在电化学传感和生物燃料电池方向具有潜在“广泛应用”的碳材料。相关工作发表在Biosen. Bioelectron. 2009, 24(9): 2904-2908；Anal. Chem.2008, 80(12): 4642-4650；Anal. Chem. 2007, 79(14):5328-5335；Biosen. Bioelectron. 2008, 24(3): 442-447；Electrochem. Commun. 2008, 10(6): 859-863。

参考文献：Ming Zhou, Li-ping Guo et al. Electrochemical Behavior of L-Cysteine and Its Detection at Ordered Mesoporous Carbon-Modified Glassy Carbon Electrode. Analytical Chemistry 2007, 79, 5328-5335.

3、基于生物燃料电池的自我供电智能生物计算“检测-响应-治疗”逻辑电子器件

在自我供电生物燃料电池体系内，将生物计算逻辑检测与药物控制释放相结合，成功构筑自我供电的“检测-响应-治疗”（“Sense-Act-Treat”）智能生物计算逻辑电子器件。

利用嵌入阳极中的布尔AND逻辑以及生理相关的生物标记物乳酸和乳酸脱氢酶，原理性验证系统可诊断由腹部外伤引起的病理变化；与固载于阴极的导电聚合物-药物输送系统相结合，该电子器件可通过生物标记浓度的变化自动触发治疗药物的控制释放。该体系不需要外加电源、中控电子器件和微电机械药物制动器，便可实现生物电子器件在医疗方面自动诊断、自动给药治疗的功能。

参考文献：Ming Zhou, Joseph Wang et al. A Self-Powered “Sense-Act-Treat” System that is Based on a Biofuel Cell and Controlled by Boolean Logic. Angew. Chem. Int. Edit. 2012, 51, 2686-2689.

4、基于生物燃料电池的自我供电智能生物计算逻辑电子传感器

将适配子逻辑体系引入生物燃料电池，用以控制生物燃料电池的能量输出，进而构筑了第一个自我供电的逻辑适配子传感器。

与传统的生物传感器不同，所提出的逻辑适配子传感器是自我供电的、智能的、可用利用内置的NAND逻辑门来确定样品中是否两种分析物同时存在。率先将可逆的适配子逻辑体系引入生物燃料电池，制备了一种新颖的基于微流控生物燃料电池的自我供电和可重复使用的智能逻辑适配子传感器。基于IMP-Reset逻辑独特的功能，该适配子逻辑传感体系可通过一次实验，智能确定人血清中是否一种特定目标物存在而另一种目标物不存在。经过在十次重复使用后，该设备仍然能准确工作，这表明该逻辑生物传感器可潜在应用于复杂生物样品的重复检测。相关工作发表在J. Am. Chem. Soc. 2010, 132(7): 2172-2174；Lab Chip 2010, 10(21): 2932-2936。

参考文献：Ming Zhou, Shaojun Dong, Erkang Wang et al. Aptamer-Controlled Biofuel Cells in Logic Systems and Used as Self-Powered and Intelligent Logic Aptasensors. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 2172-2174.

将脱氧核糖核酸酶（DNAzyme）引入生物燃料电池，成功构筑了第一个基于DNAzyme的自我供电生物计算逻辑传感器。

该逻辑传感器执行INH逻辑，功率输出符合INH真值表。不同输入产生不同逻辑激活DNAzyme的新颖概念在自我供电医疗诊断领域有广阔的应用。

参考文献：Ming Zhou, Li-ping Guo et al. Electrochemical Sensing Platform Based on the Highly Ordered Mesoporous Carbon-Fullerene System. Analytical Chemistry 2008, 80, 4642-4650.

制备基于氧气控制的自我供电生物计算逻辑酶传感器。

该逻辑体系可实现AND和XNOR逻辑门的重复使用以及在“同一底液中”互换。这种可循环使用的生物计算体系可以潜在进行逻辑应用以及自我供电“智能”可植入医学诊断。

参考文献：Ming Zhou, Shaojun Dong et al. Boolean Logic Gates Based on Oxygen-Controlled Biofuel Cell in "One Pot", Electrochimica Acta 2011, 56, 4112-4118.

5、基于生物燃料电池的自我供电智生物计算安全体系

构建了基于酶的输入和基于生物燃料电池开路电位的输出模拟密码锁功能的生物计算自我供电安全体系。

将生物燃料电池与生物安全体系相结合可能非常有利于增强密码锁在将来自我供电安全生物电子器件中的适应性。率先制备了基于氧气控制生物燃料电池的可开关和自我供电的逻辑体系。该体系可潜在用于评定生物体的生理状况和为新颖生物计算数字传感器的发展提供新的方向。该研究提供了一个新的模拟生物体系的途径，填补了理论概念（例如信息/地貌理论）和实验之间的空白。相关工作发表在Bioinformatics 2011, 27(3): 399-404；Chem. Eur. J. 2010, 16(26): 7719-7724。

参考文献：Ming Zhou, Xiliang Zheng, Jin Wang*, Shaojun Dong*, 'Nondestructive' Biocomputing Security System Based on Gas-Controlled Biofuel Cell and Potentially Used for Intelligent Medical Diagnostics. Bioinformatics 2011, 27. 399-404.

以上工作创新点的部分或全部工作多次撰写综述性论文，如Acc. Chem. Res. 2011, 44(11): 1232-1243 综述1 篇（被Thomson Reuters Web of Science 选为ESI 高引论文，引用次数位于化学领域前1%），Chem. Soc. Rev. 2016, 45(5): 1273-1307 综述1篇， ChemCatChem 2015, 7(18): 2744-2764 综述1 篇，Biosen. Bioelectron. 2016, doi: 10.1016/j.bios.2016.05.002, In Press综述1 篇，Electroanalysis 2012, 24(2): 197-209 综述1篇，Electroanalysis 2015, 27(8): 1786-1810 综述1篇。英文专著《Biomolecular Information Processing - From Logic Systems to Smart Sensors and Actuators》（2012, Wiley-VCH出版社）1章，英文专《Industrial Applications of Carbon Nanotubes》（2016，Elsevier出版社）2章，英文专著《Advanced Electrode Materials》（2016，Scrivener出版社）2章。

从电化学（特别是安培型）生物传感器到基于生物燃料的自我供电型电化学生物电子器件的研究是非常有趣和自然的过度。通常传统电化学生物传感器是三电极体系（工作电极、对电极和参比电极），但工作电极只有一个。而基于生物燃料电池的自我供电型生物电子器件是由两电极（阴极和阳极）组成，工作电极可以认为是两个，这就增加了体系的复杂程度。因此，我们认为对传统的、基于三电极体系的电化学生物传感器相对深入的认识和理解是设计和制备基于生物燃料电池的自我供电型电化学生物电子器件的前提和基础。我们课题组一直在同时进行这两个方面的研究。

从2000年到2010年，我认为这是电化学生物传感器的黄金十年，夸张点说在学校操场抓把土粘到电极上都能轻轻松松发paper。2010年后，电化学生物传感器的热潮在慢慢减低，而光谱生物传感器流行起来，这在基金申请方面有着真切的提现。记得2016年的几次国内会议，自然科学基金委的庄乾坤主任每次都强调分析化学类几乎一半的基金都是在围绕“光谱（紫外、荧光灯）-DNA”相关检测申请，但国家希望百花齐放，鼓励独特或小众的方向！我认为自我供电型、智能电化学生物传感器正是这些独特的方向之一，有可为！

个人简历

周明，东北师范大学化学学院教授、博士生导师、吉林省高层次创新创业人才、纳米生物传感分析（Nanobiosensing and Nanobioanalysis）吉林省高校重点实验室主任、东北师范大学分析测试中心主任。

主要研究领域：在生物检测、环境监测、纳米电极、纳米孔电极、可穿戴器件、锂电池、超级电容器和燃料电池等方向和领域开展科学研究。

2004年7月毕业于东北师范大学化学学院，获学士学位。2007年7月毕业于东北师范大学化学学院，获硕士学位。2011年1月，毕业于中国科学院长春应用化学研究所，获博士学位，师从第三世界院士董绍俊研究员。2011年1月至2015年10月，分别在美国加州大学圣迭戈分校、美国凯斯西储大学、美国华盛顿大学和美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室从事博士后研究。2015年加入东北师范大学化学学院，。

至今在Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Chemical Society Reviews、Accounts of Chemical Research和Analytical Chemistry等国际著名学术期刊发表学术论文45篇，总引超过3200次，H-index为26，单篇研究型论文最高引用次数超过830次（Zhou et. al., Anal. Chem., 2009, 81, 5603），4篇论文被Web of Science选为ESI高引用论文，引用次数位于化学领域前1%。

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