组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
甲醛（formaldehyde, HCHO）；样品基质：PBS 缓冲液、U251 人胶质母细胞瘤细胞培养体系（传感器腔室溶液）
检测原理
FDH 以 NAD+ 为电子受体催化甲醛氧化为甲酸，同时 NAD+ 被还原为 NADH。NADH 扩散至 MWCNTs 修饰的 SPE 工作电极，在 +300 mV 下发生电催化氧化，电子经 CNT 高导电网络传递至碳工作电极，产生与 NADH 浓度成正比的安培电流。由于 NADH 生成量正比于甲醛浓度，电流随甲醛浓度增加而增加。CNT 降低 NADH 氧化过电位，减少干扰和电极污染，提高灵敏度。对于前药处理细胞，前药进入 U251 细胞后被胞内酯酶水解，释放甲醛；甲醛扩散出细胞进入溶液，被 FDH/NAD+ 系统检测。释放两个甲醛分子的 AN-193 信号高于释放一个甲醛分子的 AN-1/AN-7；释放乙醛的前药无信号。
检测灵敏度
LOD: 0.1 μM；线性范围: 0.1–100 μM；灵敏度范围: 0.1–1500 μM；前药浓度线性方程: y=0.6583x−1.786，R^2=0.9981，线性至 2 mM；细胞存在下直接甲醛 LOD: 10 μM
效应效果
该传感器在 10 min 内完成测量，样品量仅 3–300 μL，成本低、可一次性使用；相比 HPLC 和荧光法，可实时测量且避免有毒试剂。与未修饰 SPE 相比，CNT 修饰电极对 2 mM AN-193 释放甲醛的稳态电流由 6.62 nA 提高至 35.1 nA，信号提高 5 倍。选择性方面，释放甲醛的前药 AN-1、AN-7、AN-193 产生信号，释放乙醛的 AN-88、AN-191 无信号；释放两个甲醛分子的 AN-193 信号约为释放一个甲醛分子前药的 1.5 倍。电流与 AN-193 浓度线性至 2 mM，R^2=0.9981；与细胞浓度相关，证实甲醛来自胞内前药水解。作者认为该方法适用于细胞培养及生物流体中甲醛释放前药药效学研究。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：丝网印刷电极（SPE），含碳工作电极、碳辅助电极和 Ag/AgCl/0.1 M KCl 参比电极，提供电化学测量界面与信号读出
- 纳米材料修饰层：多壁碳纳米管（MWCNTs，15±5 nm）以 40 μg/mL 悬液分 3 次滴涂于工作电极，37 °C 干燥 30 min，促进 NADH 电子转移并降低过电位
- 识别元件：甲醛脱氢酶（FDH，E.C. 1.2.1.4，Pseudomonas putida，100 μg/mL），特异性催化甲醛氧化
- 辅因子/电子受体：NAD+（酵母来源，0.5 mM），接受 FDH 反应电子并生成 NADH
- 信号分子：NADH，由 FDH 催化生成，在 CNT 修饰电极上电氧化产生安培电流
- 反应介质：PBS 缓冲液（pH 7.5），维持酶活性与电化学环境
- 反应腔/样品体系：0.6 cm 直径聚苯乙烯圆柱形成 300 μL 微电化学池，容纳 U251 细胞与前药
中文摘要
本文报道了一种用于水溶液中甲醛检测的电化学生物传感器，该传感器将甲醛脱氢酶（FDH）与碳纳米管（CNT）修饰的丝网印刷电极（SPE）偶联。FDH 以 NAD+ 为辅因子催化甲醛氧化，生成 NADH；CNT 修饰电极在 300 mV 下高效电催化氧化 NADH，从而产生与甲醛浓度相关的安培电流。作者将 U251 人胶质母细胞瘤细胞置于传感器腔室中，监测其经多种甲醛和丁酸类抗肿瘤前药处理后释放甲醛的电流响应。释放两个甲醛分子的前药 AN-193 产生的电流高于仅释放一个甲醛分子的 AN-1 和 AN-7；释放乙醛的同类前药 AN-88 和 AN-191 未产生信号。该传感器快速、灵敏、选择性高、成本低、可一次性使用，且制造和操作简便。
英文摘要
This paper reports the development of an electrochemical biosensor for the detection of formaldehyde in aqueous solution, based on the coupling of the enzyme formaldehyde dehydrogenase and a carbon nanotubes (CNT)-modified screen-printed electrode (SPE). We monitored the amperometric response to formaldehyde released from U251 human glioblastoma cells situated in the biosensor chamber in response to treatment with various anticancer prodrugs of formaldehyde and butyric acid. The current response was higher for prodrugs that release two molecules of formaldehyde (AN-193) than for prodrugs that release only one molecule of formaldehyde (AN-1, AN-7). Homologous prodrugs that release one (AN-88) or two (AN-191) molecules of acetaldehyde, showed no signal. The sensor is rapid, sensitive, selective, inexpensive and disposable, as well as simple to manufacture and operate.