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
氰化物（cyanide, CN-）；样品基质：木薯根提取物（cassava extract）、PBS 缓冲溶液
检测原理
该传感器以微芯片酶生物燃料电池为换能器。阳极上，GDH催化葡萄糖氧化，电子经CNTs、thionine和AuNPs多层膜传递至ITO电极；阴极上，漆酶催化O2发生四电子还原生成水，电子经CNTs和PLL多层膜传递。两电极构成葡萄糖/O2燃料电池，产生电流和功率。氰化物进入体系后与漆酶活性中心的T2 Cu结合，扰动T2/T3铜簇，阻碍T1 Cu向T2/T3簇的内部电子转移，从而抑制O2还原和阴极电流。由于阳极葡萄糖氧化仍持续进行，阴极抑制使电池总功率下降；功率下降幅度随CN-浓度增加而增大。检测无需外加电源，酶催化底物周转提供信号放大，最终通过外部电阻和万用表读取电流/功率变化。
检测灵敏度
LOD: 1.0 × 10^-7 M；线性范围: 3.0 × 10^-7–5.0 × 10^-4 M
效应效果
该微芯片生物燃料电池开路电位为620 mV，最大功率密度为302 µW cm−2。选择性测试显示，Fe3+、Fe2+、Cu2+、Ca2+、Mn2+、Zn2+、Mg2+等阳离子在至少0.3 mM下无明显抑制；除F-（至少可容忍7.0×10−5 M）外，其他阴离子在至少0.1 M下未引起明显电流下降。对2.0×10−4 M CN-的5次重复测量RSD为3.8%，传感器在PBS中4 °C保存至少1个月仍稳定。实际木薯样品中总氰化物含量为126±3 mg/kg，与气相色谱结果一致。在木薯加工模拟中，煮沸10 min可释放45%氰化物，三次洗涤后样品中未再检出氰化物。作者认为该方法便携、经济、快速、简便，适用于食品中内源性生物氰化物检测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：ITO（indium-doped tin oxide）玻璃微电极，作为阳极和阴极导电基底与换能器。
- 预处理层：B-PEI（branched-poly(ethylenimine)），提供正电荷界面以构建多层膜。
- 阳极修饰层：(CNTs/thionine/AuNPs)8 多层膜，CNTs（碳纳米管）、thionine（硫黄素）、AuNPs（金纳米粒子）用于电子转导和酶固定。
- 阳极催化/识别元件：GDH（glucose dehydrogenase，葡萄糖脱氢酶），催化葡萄糖氧化并参与阳极电子供给。
- 阴极修饰层：(CNTs/PLL/laccase)15 多层膜，CNTs、PLL（polylysine，聚赖氨酸）用于电子转导和漆酶固定。
- 阴极催化/识别元件：laccase（漆酶），催化 O2 四电子还原为水，其 T2 Cu 活性中心受 CN- 抑制。
- 电子供体/底物：glucose（葡萄糖）与 NADH，作为阳极反应底物/电子供体，维持燃料电池电流输出。
- 信号放大元件：无外源标记，依赖 GDH 与 laccase 的酶催化底物周转放大，以 BFC 功率/电流变化作为信号。
- 读出装置：外部 50 Ω 电阻与数字万用表（Keithley 2700），测量电流、电压和功率。
中文摘要
本文报道了一种完全集成于微芯片上的自供电生物燃料电池，其阳极由葡萄糖脱氢酶（GDH）负载于（碳纳米管/硫黄素/金纳米粒子）8多层膜构成，阴极由（碳纳米管/聚赖氨酸/漆酶）15多层膜构成。该生物燃料电池在微芯片上产生620 mV的开路电位和302 µW cm−2的功率密度，可作为便携式电子器件的小型电源。更重要的是，作者首次基于微芯片酶生物燃料电池的抑制效应，证明了自供电生物传感器的可行性。以氰化物为模型分析物，在优化条件下，该方法的线性范围为3.0×10−7至5.0×10−4 M，检出限为1.0×10−7 M，低于世界卫生组织规定的饮用水氰化物限值（1.9×10−6 M）。该自供电传感器成功用于检测真实样品木薯中的氰化物浓度，木薯是南美洲和非洲的主要碳水化合物来源。该生物传感器与电阻和万用表联用，展示了作为快速、简便方法检测内源性生物氰化物的一般适用性。
英文摘要
In this work we developed a fully integrated biofuel cell on a microchip, which consisted of glucose dehydrogenase supported (carbon nanotubes/thionine/gold nanoparticles)(8) multilayer as the anode, and the (carbon nanotubes/polylysine/laccase)(15) multilayer as the cathode. The as-obtained biofuel cell produced open circuit potential 620 mV and power density 302 microW cm(-2), showing great potential as a small power resource of portable electronics. Most importantly, for the first time we demonstrated the feasibility of developing a self-powered biosensor based on the inhibitive effect on microchip enzyme biofuel cell. With cyanide employed as the model analyte, this method showed a linear range of 3.0 x 10(-7) to 5.0 x 10(-4) M and a detection limit with 1.0 x 10(-7) M under the optimal conditions. The detection limit was lower than the acceptable cyanide concentration in drinking water (1.9 x 10(-6) M) according to the World Health Organization (WHO). This self-powered sensor was successfully used to detect the cyanide concentration in a real sample, cassava, which is the main carbohydrate resource in South America and Africa. This presented biosensor combined with a resistor and a multimeter demonstrated the general applicability as a fast and simple detection method in the determination of endogenous biological cyanide.