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
过氧化氢（H2O2）、葡萄糖（glucose）、胆碱（choline），样品基质为 0.1 M PBS（pH 7.4）缓冲液。
检测原理
NCNTs 中氮掺杂引入缺陷位点并改变电荷分布，使 O2 在管表面由端式吸附转为侧式吸附，削弱 O–O 键，从而在碱性条件下以四电子路径高效催化氧还原反应（ORR）。由于 H2O2 氧化是 ORR 的逆过程，NCNT/GC 对 H2O2 氧化/还原具有低过电位电催化活性。在 +0.3 V 下，H2O2 在 NCNT 表面发生电催化氧化：H2O2 → 2H+ + O2 + 2e−，氧化电流随 H2O2 浓度升高而增大。检测葡萄糖或胆碱时，GOD 或 ChOx 先催化底物氧化并定量生成 H2O2，H2O2 再被 NCNT 电催化氧化，从而将酶识别事件转换为电流信号。该体系无需电子介体，信号放大主要来自酶催化产生 H2O2 和 NCNT 的低过电位高电催化活性。
检测灵敏度
H2O2: LOD: 0.37 μM（3σ）；线性范围: 1.76–139 μM；灵敏度: 24.5 μA/mM；斜率: 0.0245 μA/μM；相关系数: 0.9999。葡萄糖: LOD: 1.2 μM（S/N=3）；线性范围: 2–140 μM；灵敏度: 14.9 μA/mM；斜率: 0.0149 μA/μM；相关系数: 0.9986。胆碱: LOD: 15 μM（S/N=3）；线性范围: 0.1–2.9 mM；灵敏度: 5.4 μA/mM；斜率: 0.7324（log-log）；相关系数: 0.9978。
效应效果
NCNT/GC 对 H2O2 响应时间小于 2 s，葡萄糖响应 95% 稳态电流小于 3 s；+0.3 V 下溶解氧不影响 H2O2 响应，无 GOD/ChOx 时无葡萄糖/胆碱信号。稳定性方面，GOD/葡萄糖体系连续扫描 100 次 RSD 为 2.9%，5 个独立电极 RSD 为 3.4%。其 H2O2 灵敏度 24.5 μA/mM，高于 MWCNT/GC（0.28 μA/mM）、TiO2/MWCNT（13.4 μA/mM）、碳纳米纤维（19 nA/mM）和 NCNC（0.19 μA/mM）；葡萄糖灵敏度 14.9 μA/mM 也高于 NCNC（0.033 μA/mM）、Pt-CNTs-GOD（0.16 μA/mM）和 GOD/CNTs/Chitosan/GC（0.52 μA/mM）。作者认为 NCNTs 适用于生物传感器。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：玻璃碳电极（GC），经氧化铝抛光和超声清洗，作为工作电极与电子转导基底
- 纳米材料修饰层：氮掺杂碳纳米管（NCNTs），由吡啶前驱体化学气相沉积（CVD）合成并经 NaOH/HCl 纯化，直接滴涂干燥形成三维多孔膜，提供高电催化活性位点
- 识别/催化元件：葡萄糖氧化酶（GOD）或胆碱氧化酶（ChOx），溶解于 PBS 中，催化葡萄糖或胆碱氧化并生成 H2O2
- 信号中间体：过氧化氢（H2O2），酶促反应产物，在 NCNT/GC 表面被电催化氧化产生电流
- 电解液：0.1 M PBS（pH 7.4），提供离子导电环境
- 信号读出：三电极电化学系统（CHI832B），以铂丝为对电极、饱和甘汞电极（SCE）为参比，计时电流法读取稳态氧化电流
中文摘要
本研究比较了氮掺杂碳纳米管（NCNTs）与多壁碳纳米管（MWCNTs）的电催化活性。结果表明，NCNTs 在碱性条件下对氧还原反应（ORR）具有显著电催化活性，可通过高效四电子过程进行，而 MWCNTs 主要通过两电子路径。同时，NCNTs 对过氧化氢（H2O2）的氧化还原反应表现出优异的电化学性能，可在 +0.3 V 的低电位下用作 H2O2 传感器，其 NCNT 基生物传感器灵敏度达 24.5 μA/mM，比 MWCNT 基传感器高 87 倍以上。此外，NCNTs 具有突出的分析稳定性和重现性，无需电子介体即可通过监测葡萄糖氧化酶/葡萄糖或胆碱氧化酶/胆碱酶促反应产生的 H2O2，在 +0.3 V 下可靠、灵敏地检测葡萄糖。NCNT 基葡萄糖生物传感器线性范围为 2–140 μM，灵敏度高达 14.9 μA/mM，检出限为 1.2 μM（信噪比 3）。结果表明，NCNTs 是用于生物传感器构建的优良纳米结构材料。
英文摘要
This study compares the electrocatalytic activity of nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNTs) with multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs). Results indicate that NCNTs possess a marked electrocatalytic activity toward oxygen reduction reaction (ORR) by an efficient four-electron process in the alkaline condition, while the process of MWCNTs is through a two-electron pathway. Meanwhile, NCNTs show a very attractive electrochemical performance for the redox reaction of hydrogen peroxide (H2O2) and could be employed as a H2O2 sensor at a low potential of +0.3 V. The sensitivity of the NCNT-based biosensor reaches 24.5 microA/mM, more than 87 times that of the MWCNT-based one. Moreover, NCNTs exhibit striking analytical stability and reproducibility, which enables a reliable and sensitive determination of glucose by monitoring H2O2 produced by an enzymatic reaction between glucose oxidase/glucose or choline oxidase/choline at +0.3 V without the help of the electron mediator. The NCNT-based glucose biosensor has a linear range from 2 to 140 microM with an extremely high sensitivity of 14.9 microA/mM, and the detection limit is estimated to be 1.2 microM at a signal-to-noise ratio of 3. The results indicate that the NCNTs are good nanostructured materials for potential application in biosensors.