ADV ENG MATER∣光驱动的先进生物传感器，增强可持续室内CO2监测
文献信息：
作者：Anwar Elhadad, Yang Gao, Seokheun Choi
发表时间：19 November 2024
https://doi.org/10.1002/adem.202401875
ADVANCED ENGINEERING MATERIALS 影响因子：3.4
背景介绍
随着人们对室内空气质量和环境监测的日益重视，精准检测CO₂浓度变得尤为关键。然而，传统CO₂传感器在实际应用中面临诸多挑战，如成本高昂、体积庞大、对环境有一定影响，且高度依赖外部电源，这些因素极大地限制了其在连续室内监测场景中的广泛应用。
针对上述问题，本研究提出了一种创新的室内 CO₂传感系统，该系统基于自供电生物太阳能电池（BSC）平台。它以蓝藻作为核心部件，利用蓝藻的生物催化特性和可持续供电能力，打造出一种经济高效、环保且免维护的新型传感器，全面超越传统传感器的性能。其工作原理是监测蓝藻在光合作用过程中产生的电子传递，通过将CO₂和水转化为氧气和化学能，实现对CO₂浓度的精准监测。该系统能够敏锐地感知 CO₂浓度的波动，并在浓度超出人类健康和生产力所推荐的范围（500–1000 ppm）时及时发出警报。
此外，该系统采用由八个 BSC 组成的自维持配置，其中一个是传感单元，其余用于发电，从而确保整个系统无需外部电源即可实现持续稳定的运行。同时，集成的能量收集板能够高效地管理电源分配，为微控制器和显示系统提供稳定的电力支持，满足实时数据可视化的需要，其最大功率输出可达400 μW。值得一提的是，借助机器学习模型对BSC的输出进行精准解读，能够进一步量化CO₂浓度，显著提升传感器的自适应性能，使其在复杂多变的环境中也能保持可靠的监测效果。
图文解读
图1| 基于BSC的CO2生物传感器的结构和工作原理
A), 图示阐释了蓝藻细胞的CO2传感机制，详细说明了检测和响应CO2水平的生物过程。
B), 概念性地描述了BSC作为CO2传感器的工作原理，强调了光合作用过程中依赖CO2水平的发电机制。
C-D), 概念图C)和照片展示了单个BSCD), 和读数系统E)。 展示了自主监测CO2水平的操作传感系统。其中一个BSC作为CO2传感器，其他则为操作提供电力。
图2| 对BSC性能的综合分析
A)，单个BSC的极化曲线，显示最大功率密度约为80 μW cm-2
B)，七个BSC阵列的极化曲线，显示峰值功率输出为400 μW，开路电压为3 V
C)，不同阳极材料在有无蓝藻情况下的电化学阻抗谱（EIS）分析
D)，不锈钢（SS）与碳黑（CB）阳极在不同扫描速率下的循环伏安法（CV）分析
E)，带有蓝藻的阳极在不同扫描速率下的循环伏安曲线
F)，BSC阵列的长期功率性能评估，以评估其随时间变化的稳定性和可靠性
图3| 蓝藻在BSC中的形貌
SEMA)和荧光图像B)，显示了在经CB处理的SS电极上生长的蓝藻菌落
图4| BSC的CO2监测能力
A)，BSC在不同CO2浓度下的电流输出响应，突出其对环境CO2水平的显著敏感性
B)，BSC在不同CO2浓度下的响应时间，展示其对CO2水平波动的显著快速反应
C)，BSC的电流响应在不同CO2浓度下随时间的稳定性
D)，BSC在不同工作温度范围内的电压响应稳定性
E)，BSC的校准曲线与商业CO2传感器的读数对比，肯定其在CO2检测中的显著准确性和可靠性
F)，蓝藻的光合作用速率与常见光合植物（如C3、C4和CAM植物）的对比
图5| 性能验证和机器学习辅助数据分析
A)，基于BSC的CO2传感器数据与从商业传感器获得的读数对比
B)，预测值与实际值对比，展示模型的显著能力
C)，预测结果与经验数据对比，肯定模型与观测值的一致性
D)，预测值与实际值在较长时间内的对比
E)，基于BSC的CO2传感器与其他现有技术的对比，揭示其竞争性能并展示其在实际应用中的显著效果
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