组成图示
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传感器类型
光电化学生物传感器
检测对象
β-D-葡萄糖（β-D-glucose），样品基质为磷酸盐缓冲液（pH 6.8）
检测原理
GOx识别并催化β-D-葡萄糖氧化，伴随氧化还原中心电子转移；ZnO纳米颗粒提供高比表面积和导电通道，促进GOx与Pt电极间电子传递，使安培电流随葡萄糖浓度增加。在紫外光照射下，ZnO（带隙3.3–3.6 eV）产生电子-空穴对；空穴可氧化水产生OH−，电子可还原溶解氧生成O2•−或H2O2等活性氧，这些活性物种可影响GOx氧化还原中心并增强催化活性；同时ZnO表面积累电子可被电极收集，形成附加电流。因此光照下电流响应提高约30%，检测限降低约两个数量级。
检测灵敏度
LOD: 5.6 × 10−6 M（under illumination）；LOD: 1.1 × 10−4 M（in the dark）
效应效果
该传感器在pH 6.8、0.4 V、35℃下表现最佳；温度10–70℃中45℃响应最高，30–60℃响应较稳定，说明GOx/ZnO偶联物具有较好热稳定性。4℃保存1个月后电流响应保留约70%。紫外照射2 h时响应最大，延长照射因酶变性而下降。对照实验表明仅ZnO或仅GOx电极在光照下变化较小，说明增强来自ZnO与GOx协同。作者认为方法简单有效，可增强和调节酶电极电流，有利于生物传感器微型化，并适用于其他安培型酶生物传感器。未报告选择性、抗干扰、RSD、实际样品回收率及与ELISA/HPLC/qPCR对比。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：铂电极（Pt electrode），提供电子传导与电流换能
- 纳米材料修饰层：氧化锌纳米颗粒（ZnO nanoparticles），提供大比表面积、电子传导通道和光生电子-空穴对
- 识别元件：葡萄糖氧化酶（GOx），特异性催化β-D-葡萄糖氧化
- 辅助膜基质：聚乙烯醇丁醛（PVB）2-丙醇溶液，形成辅助膜固定GOx/ZnO并控制传质
- 交联剂：戊二醛（glutaraldehyde），交联固定酶和膜结构
- 测量介质：磷酸盐缓冲液（phosphate buffer, pH 6.8），维持酶活性与离子环境
中文摘要
纳米半导体晶体可提高光化学反应效率并显著增强酶催化活性，从而构建新型光电化学系统。本文以葡萄糖氧化酶（GOx）/氧化锌（ZnO）纳米颗粒体系为模型，研究半导体纳米颗粒对酶电极的光伏效应。紫外-可见光谱和圆二色性（CD）结果表明，GOx与ZnO纳米颗粒偶联后其二级结构基本保持，α-螺旋比例由26.2%升至30.5%，说明酶仍保持活性构象。在10 mM β-D-葡萄糖溶液中，不含ZnO的酶电极电流响应为0.82 μA cm−2，而含ZnO纳米颗粒的酶电极电流响应提高至21 μA cm−2，表明ZnO纳米颗粒可增大酶负载量并提供电子传导通道。进一步用紫外光照射酶电极2 h后，电流响应较黑暗条件提高近30%，检测限由1.1×10−4 M降至5.6×10−6 M，约降低两个数量级。结果表明ZnO纳米颗粒的光伏效应可增强GOx催化能力，为制备光控酶基葡萄糖生物传感器提供了可行方法。
英文摘要
Nanosized semiconductor crystals can increase efficiency of photochemical reactions and greatly improve the catalytic activity of enzymes to generate novel photoelectrochemical systems. In this work, glucose oxidase (GOx)/zinc oxide (ZnO) is selected as a model system to assess the photovoltaic effect of semiconductor nanoparticles on the enzyme electrode. UV-spectrum and circular dichroism (CD) results show that the structure of GOx is preserved after conjugation with ZnO nanoparticles. The current response of the enzyme electrode containing ZnO nanoparticles increases from 0.82 to 21 microA cm(-2) in the solution of 10 mM beta-D-glucose. Furthermore, after irradiating the enzyme electrode with UV light for 2 h, the current response can be increased nearly 30% and the detection limit can be lowered about two orders compared with the catalytic reactions in the dark, which indicate that a technique to fabricate a novel photocontrolled enzyme-based biosensor may be developed.