海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室知识库

海洋微生物诱导的腐蚀（Microbiologically influenced corrosion，MIC）几乎能对所有的海洋设备造成腐蚀损害，每年带来重大的经济损失，并为海洋生产安全带来隐患。快速检测海洋腐蚀微生物是一种有效监测海洋水质的方法，根据检测结果及时采取相应的微生物腐蚀防护措施，可以减少MIC的危害。因此，快速检测海洋腐蚀微生物是预防MIC的有效方法之一。目前，已开发出多种海洋腐蚀微生物检测方法如固体培养基培养法，酶联免疫吸附技术和聚合酶链式反应技术等。这些技术在很大程度上促进了海洋腐蚀微生物检测研究的进展，并可以有效预防MIC的发生。但这些方法普遍存在需要复杂的设备，训练有素的人员和频繁更换电源等不足，无法实现快速检测。同时，摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator，TENG）作为新兴的能源收集装置或自驱动信号源在生化检测领域得到了极好的发展。相较于传统检测方法，基于TENG的检测技术具有自驱动，成本低，无需复杂设备等优势。因此，开发基于TENG的海洋腐蚀微生物检测技术对于现阶段预防MIC具有重要的意义。

本文以开发基于TENG的海洋腐蚀微生物检测技术为目标，从TENG作为检测信号源、单液滴发电机的寄生电容现象、固-液界面吸附效应和摩擦电荷滞留多角度对基于TENG的海洋腐蚀微生物检测技术进行设计与优化，并详细分析相关检测技术的工作机制，评估其检测性能。本研究为基于TENG的生物传感器设计与开发提供理论基础，对海洋腐蚀微生物检测和预防海洋微生物腐蚀的相关工作发展具有重要意义。主要研究结果如下：

（1）设计基于TENG作为检测信号源的海洋腐蚀微生物检测技术，研究发现，TENG作为自驱动电压信号源可以提供165 V的电压信号，为海洋腐蚀微生物检测带来足够的检测信号。并且由于TENG具有高电压低电流的特性，这类检测技术不会因具有较高的输出电压而带来安全隐患。在检测性能方面，生物传感器测得电压信号与微生物浓度的对数之间具有良好的线性关系。该检测体系相较于传统检测方法具有更便捷的检测流程，更低的成本，检测信号自驱动等优势。

（2）设计基于单液滴发电机（Single droplet electricity generator，SDEG）寄生电容现象的海洋腐蚀微生物检测技术，探究寄生电容现象在海洋腐蚀微生物检测技术中的工作机制，并引入适配体作为特异性识别分子，极大提升了这类新型生物传感器的检测性能。研究发现，聚苯乙烯微球和SDEG电极之间形成的寄生电容会降低SDEG的输出性能。对聚苯乙烯微球和SDEG电极进行修饰后用于海洋腐蚀微生物的检测，SDEG输出电压与微生物浓度之间具有良好的线性关系。利用适配体和寄生电容的优势，可以在不积累能量的情况下，通过单个液滴产生的信号变化对铜绿假单胞菌进行特异性检测，同时具有较好的检测限（4.5 × 10³ CFU mL⁻¹）。此外，建立了SDEG输出电压与微生物浓度之间数学模型，与实验结果相吻合，有助于该类新型传感器理论的发展。

（3）设计基于SDEG和固-液界面吸附效应的海洋腐蚀微生物检测技术，探究固-液界面吸附效应在海洋腐蚀微生物传感器中的工作机制，以及界面吸附效应对该类新型生物传感器制备和操作流程优化的帮助。研究发现，液滴中微生物的浓度会通过界面吸附效应影响SDEG的输出性能。然而，传统的SDEG中存在严重的摩擦电荷衰减现象，使得该检测方法的检测范围较窄，检测性能差。针对于此，设计一种由高熵陶瓷材料作为填充物的中间层结构，有效提升SDEG的输出电压，达到525 V。改进后的SDEG具有更好检测性能，并且无需设计外部传感器或修饰电极，降低制备成本。这类检测方法的电压信号与微生物浓度之间关系和预测数的学模型相吻合。

（4）设计基于抑制摩擦电荷滞留TENG的新型多功能海洋腐蚀微生物检测技术，探究抑制摩擦电荷滞留策略在海洋腐蚀微生物传感器中的工作机制，以及该策略对新多功能型生物传感器发展的帮助。研究发现，基于摩擦电荷滞留TENG的抑制端输出性能受到负载端电路负载状态的影响。通过将待测样品连接到TENG的负载端，测试抑制端输出电压实现对海洋腐蚀微生物的检测，抑制端输出电压与微生物浓度的对数之间具有良好的线性关系。同时，抑制端可以有效提升负载端的输出性能，使其平均输出功率提升了约6.077倍，可以驱动紫外灯工作。通过对这类生物传感器的研究，发现抑制摩擦电荷滞留可以有效提升TENG输出性能，使TENG在具有微生物检测功能的基础上，可以驱动紫外灯工作，实现多功能应用。

目 录

第1章 绪论... 1

1.1 研究背景与意义... 1

1.2 海洋微生物腐蚀... 1

1.2.1 海洋微生物腐蚀概述... 1

1.2.2 海洋腐蚀微生物检测技术... 4

1.3 摩擦纳米发电机... 8

1.3.1 摩擦纳米发电机动态电荷平衡理论... 8

1.3.2 摩擦纳米发电机输出性能与应用提升研究... 14

1.3.3 摩擦纳米发电机在生化检测中的应用... 24

1.4 选题依据及研究思路... 28

1.4.1 选题依据... 28

1.4.2 研究目标与内容... 29

1.4.3 研究方案... 30

第2章 基于摩擦纳米发电机作为检测信号源的检测技术... 31

2.1 引言... 31

2.2 实验部分... 32

2.2.1 材料与仪器... 32

2.2.2 摩擦纳米发电机的设计与制备... 32

2.2.3 自供电特异性生物传感器的设计与制备... 33

2.2.4 微生物的培养... 33

2.2.5 实验表征与测试... 33

2.3 结果与讨论... 34

2.3.1 检测原理... 34

2.3.2 生物传感器表征... 35

2.3.3 摩擦纳米发电机与生物传感器性能测试... 40

2.3.4 微生物特异性检测... 45

2.3.5 可视化检测性能测试... 51

2.4 本章小结... 53

第3章 基于单液滴发电机寄生电容现象的检测技术... 55

3.1 引言... 55

3.2 实验部分... 56

3.2.1 材料与试剂... 56

3.2.2 单液滴发电机的设计与制备... 56

3.2.3 自供电特异性微生物传感器的设计与制备... 57

3.2.4 微生物的培养... 57

3.2.5 实验表征与测试... 57

3.3 结果与讨论... 57

3.3.1 检测原理... 57

3.3.2 电极与信号放大材料表征... 59

3.3.3 单液滴发电机性能测试... 65

3.3.4 数学模型预测... 69

3.3.5 海洋腐蚀微生物特异性检测... 71

3.4 本章小结... 75

第4章 基于固-液界面吸附效应的检测技术... 76

4.1 引言... 76

4.2 实验部分... 79

4.2.1 材料与仪器... 79

4.2.2 高熵陶瓷与聚合物复合薄膜的制备... 79

4.2.3 具有中间层结构单液滴发电机的设计与制备... 80

4.2.4 用于特异性微生物富集的磁性颗粒制备... 80

4.2.5 微生物的培养... 80

4.2.6 实验表征与测试... 80

4.3 实验结果与讨论... 81

4.3.1 具有中间层结构单液滴发电机的工作机制分析... 81

4.3.2 高熵陶瓷的表征... 85

4.3.3 具有中间层结构的单液滴发电机性能测试... 89

4.3.4 海洋腐蚀微生物特异性检测... 95

4.4 本章小结... 101

第5章 基于新型摩擦纳米发电机作为多功能生物传感器的检测技术... 102

5.1 引言... 102

5.2 实验部分... 103

5.2.1 材料与仪器... 103

5.2.2 抑制电荷滞留摩擦纳米发电机的设计与制作... 104

5.2.3 摩擦电荷滞留现象分析... 104

5.2.4 微生物的培养... 104

5.2.5 实验表征与测试... 104

5.3 结果与讨论... 104

5.3.1 抑制摩擦电荷滞留的机制分析... 104

5.3.2 影响摩擦电荷滞留的因素分析... 108

5.3.3 抑制摩擦电荷滞留的摩擦纳米发电机双输出通道性能分析... 109

5.3.4 海洋腐蚀微生物检测与防护... 118

5.4 本章小结... 121

第6章 结论与展望... 122

6.1 结论... 122

6.2 创新点... 123

6.3 展望... 123

参考文献... 125

致 谢... 141

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果... 142