组成图示
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传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
尿素（urea）；样品基质：水溶液、人血清、尿液
检测原理
脲酶（Urs）识别并催化尿素水解，生成 NH4+ 和 HCO3−，使电极表面局部 pH 改变。hematein 是 pH 敏感氧化还原染料，其还原峰电位随 pH 变化约 29 mV/pH；在固定 0 mV 工作电位下，pH 变化改变 hematein 的还原/氧化电流。H40–Au 纳米多孔金纳米颗粒提供高比表面和电子传递通道，使脲酶共价固定并维持活性。稳态安培电流随尿素浓度增加而线性变化，实现定量检测。
检测灵敏度
LOD: 0.01 mM；线性范围: 0.01–35 mM；灵敏度: 7.48 nA/mM；R^2 = 0.997；响应时间: 3 s；Kappm: 0.96 mM
效应效果
该传感器抗干扰性好，11种常见干扰物在0.2 mM下相对误差小于4%。重现性良好，单电极5 mM尿素连续5次测量RSD约8%，10个电极间RSD约6%，连续10次使用无明显衰减。4 ℃储存18周后响应基本不变，表观酶活性为71.59 mg/cm2。对人血清和尿液无需预处理即可检测，结果较标准比色法高约2%–9%，总体一致。与文献相比，其货架期、灵敏度、线性范围和响应时间均更优。
传感器的构成
- 基底/换能器：ITO 玻璃（indium–tin oxide coated glass，15 Ω/cm2），导电透明工作电极基底。
- 纳米材料修饰层：H40–Au 纳米颗粒薄膜（Boltorn H40 超支化聚酯接枝金纳米颗粒，平均粒径约 16 nm），提供纳米孔、高比表面和共价连接位点。
- 识别元件：脲酶（urease, Urs，Canavalia ensiformis 来源），催化尿素水解。
- 偶联固定层：EDC/NHS（1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide / N-hydroxysuccinimide），介导 Urs 与 H40 残余氨基形成酰胺键。
- 信号介质：hematein（紫胶蓝，0.5 mM），pH 敏感氧化还原染料，将 pH 变化转换为电流。
- 电解质：50 mM 磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.0，0.9% NaCl），提供离子导电和稳定反应环境。
- 检测电极体系：三电极体系（工作电极 Urs/H40–Au/ITO，对电极 Pt foil，参比 Ag/AgCl），用于恒电位安培测量。
中文摘要
本文报道了一种用于水溶液中定量检测尿素的安培生物传感器。以氧化铟锡（ITO）玻璃为基底，将超支化聚酯 Boltorn H40 功能化金纳米颗粒（H40–Au）滴涂成膜，并通过 EDC/NHS 介导的酰胺键将脲酶（Urs）共价固定于电极表面，构建 Urs/H40–Au/ITO 工作电极。共价固定使酶负载量高且寿命稳定。在含 0.5 mM pH 敏感天然染料 hematein 的磷酸盐缓冲液中，采用安培法和光度法考察响应。该传感器对 0.01–35 mM 尿素呈线性电流响应，灵敏度为 7.48 nA/mM，响应时间 3 s，表观米氏常数 0.96 mM，表明固定脲酶对尿素具有较高亲和力。
英文摘要
An amperometric biosensor was fabricated for the quantitative determination of urea in aqueous medium using hematein, a pH-sensitive natural dye. The urease (Urs) was covalently immobilized onto an electrode made of gold nanoparticles functionalized with hyperbranched polyester-Boltron H40 (H40-Au) coated onto an indium-tin oxide (ITO) covered glass substrate. The covalent linkage between the Urs enzyme and H40-Au nanoparticles provided the resulting enzyme electrode (Urs/H40-Au/ITO) with a high level of enzyme immobilization and excellent lifetime stability. The response studies were carried out as a function of urea concentration with amperometric and photometric measurements. The biosensor based on Urs/H40-Au/ITO as the working electrode showed a linear current response to the urea concentration ranging from 0.01 to 35 mM. The urea biosensor exhibited a sensitivity of 7.48 nA/mM with a response time of 3s. The Michaelis-Menten constant for the Urs/H40-Au/ITO biosensor was calculated to be 0.96 mM, indicating the Urs enzyme immobilized on the electrode surface had a high affinity to urea.