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（Hydrogen peroxide, H2O2）；样品基质：50 mM 磷酸钠缓冲液（SPB，pH 7.5）
检测原理
该传感器基于大分子量过氧化氢酶（CAT）的直接电化学与电催化。CAT固定化于MWCNT-NF导电网络并被PEI静电包埋，其血红素Fe(III)/Fe(II)中心可与电极发生直接电子转移。当H2O2进入酶层时，CAT血红素被H2O2氧化生成氧铁基π-阳离子自由基中间体，同时H2O2被还原为水；该中间体再从电极获得电子，重新生成Fe(III)态CAT，形成与H2O2浓度成正比的还原电流。MWCNT提供高导电通道，NF辅助成膜，PEI降低电荷转移电阻并稳定酶层。恒电位计时电流法在−0.48 V下读取稳态电流，实现H2O2定量。
检测灵敏度
LOD: ~1 μM；线性范围: 10 μM–5 mM；灵敏度: 30 μA mM−2 H2O2；R^2 = 0.993；表观 Michaelis–Menten 常数: 3 mM（R^2 = 0.975）；响应时间: ~2 s
效应效果
该生物电极在50 mM SPB（pH 7.5）中对H2O2表现出快速响应，稳态电流响应时间约2 s，检出限约1 μM，线性范围10 μM–5 mM，灵敏度30 μA mM−2。PEI包埋显著降低电荷转移电阻（由MWCNT-NF/CAT的500 Ω降至280 Ω），并抑制酶泄漏：无PEI电极48 h内活性完全丧失，含PEI电极48 h后保留>75%活性；连续工作48 h后仍保留>50%活性，干燥储存数月间歇使用无明显失活。作者认为其性能与小型过氧化氢酶传感器相当或更优，适合H2O2检测。未报告选择性、抗干扰、实际样品回收率及与ELISA/HPLC/qPCR的对比。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：玻璃碳电极（GCE，5 mm直径），抛光清洗后作为工作电极和电子传导基底
- 纳米材料修饰层：多壁碳纳米管—Nafion（MWCNT-NF）复合膜，MWCNT提供导电网络，Nafion（NF）辅助分散和成膜
- 识别/催化元件：大分子量过氧化氢酶（CAT，来自Aspergillus terreus，Mr~90 kDa），固定化于MWCNT-NF上，催化H2O2并发生直接电子转移
- 包埋/稳定层：聚乙烯亚胺（PEI，10%），阳离子聚合物，通过静电作用包埋稳定CAT并降低电荷转移电阻
中文摘要
本研究报道了一种基于大分子量过氧化氢酶（CAT，Mr约90 kDa）的电化学生物电极。将CAT固定化于多壁碳纳米管—Nafion（MWCNT-NF）纳米复合基质中，并用聚乙烯亚胺（PEI）包埋于玻璃碳电极（GCE）表面。循环伏安法显示该生物电极在pH 7.5下呈现Fe(III)/Fe(II)准可逆氧化还原峰，形式电位约−0.45 V（vs. Ag/AgCl）。PEI通过静电作用显著降低电荷转移电阻并稳定酶层。固定化CAT的电子转移速率常数和表面覆盖度分别为1.05±0.2 s−1和2.1×10−10 mol cm−2。对H2O2的电催化动力学研究表明，该电极表观Michaelis–Menten常数为3 mM，在10 μM至5 mM范围内呈线性响应，稳态电流响应时间约2 s，检出限约1 μM。该生物电极还表现出良好的操作稳定性和储存稳定性，证实了大分子量过氧化氢酶直接电化学及其生物传感器应用潜力。
英文摘要
A large catalase (CAT) (Mr~90kDa), immobilized on multiwalled carbon nanotubes-Nafion(®) (MWCNT-NF) matrix and encapsulated with polyethylenimine (PEI) on glassy carbon electrode (GCE), showed a pair of nearly reversible cyclic voltammetric peaks for Fe((III))/Fe((II)) couple with formal potential of about -0.45V (vs. Ag/AgCl electrode at pH 7.5). PEI significantly reduced the charge transfer resistance and stabilized the bioelectrode through electrostatic interaction. The electron transfer rate constant and surface coverage of the immobilized CAT were 1.05±0.2s⁻¹ and 2.1×10⁻¹⁰ mol cm⁻², respectively. Studies on electrocatalytic activity and kinetics of GCE/MWCNT-NF/CAT/PEI for hydrogen peroxide (H₂O₂) showed the apparent Michaelis-Menten constant of 3mM, linear response in the range of 10μM to 5mM, response time of ~2s for steady state current, and detection limit of ~1μM. A high operational and storage stability was also demonstrated for the bioelectrode. Hence, the direct electrochemistry of the large catalase and its potential biosensor application have been established through this investigation.