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
光电化学生物传感器
检测对象
莠去津（diuron）；样品基质：实际水样（real water samples）
检测原理
PSII复合体经BSA/戊二醛交联固定在Pt工作电极表面，并置于含杜罗酮（duroquinone）的MES缓冲液微流控池中。红光LED脉冲周期性激发PSII，使其光化学反应产生电子；电子传递给杜罗酮，使其还原。工作电极在+620 mV下将还原态杜罗酮氧化，产生安培电流；光关闭后杜罗酮再氧化，电流回落，形成可重复的光响应。除草剂（如diuron）结合PSII活性中心，抑制电子传递，使每个光脉冲的电流幅值下降。同步检测以无抑制剂时的光响应为模板，对含抑制剂信号进行相关解调，将快速光响应与慢速抑制过程分离，得到自由活性中心比例和抑制动力学常数。该方法不依赖化学放大，而通过同步解调提高信噪比。在10^-6–10^-4 mM diuron范围内，结合速率常数k1稳定，可用于浓度定量。
检测灵敏度
线性范围: 10^-6 to 10^-4 mM（diuron）；实际水样中可精确测量至 10^-8 mM（diuron）
效应效果
同步检测提高了信噪比和测量稳健性，可抑制搅拌、电磁干扰及寄生电流影响，并能区分膜溶胀、活性中心洗脱与真实抑制。PSII光响应符合一级动力学，偏离小于1%。作者用30个传感器在不同diuron浓度下评估，发现k1在10^-6–10^-4 mM范围内恒定，而k-1随浓度变化，提示可能存在EI2复合体。实际水样测试中，信噪比显著提高，可精确测量至10^-8 mM diuron；但10^-8–10^-3 mM区间抑制机制不稳定、不可重复，可能由吸附与抑制共同造成。可靠定量范围为10^-6–10^-4 mM。作者认为SD是非参数信号分析工具，适用于复杂抑制动力学和生物传感器机理研究。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：Pt工作电极（AC1.W2.RS，BVT Technologies），承载生物活性层并采集安培电流。
- 固定化修饰层：牛血清白蛋白（BSA）与戊二醛（glutaraldehyde）交联膜，将PSII固定于电极表面。
- 识别元件：光系统II复合体（PSII，来自Synechococcus elongatus），催化光驱动电子传递并被除草剂抑制。
- 电子受体/信号介质：杜罗酮（duroquinone，2×10^-4 M），接受PSII电子后在电极上氧化产生电流。
- 流动池/微流控层：微流控系统（MFS）与流动池（FC3），控制样品流动与质量传递。
- 光刺激源：红光LED脉冲（5 s光照/20 s黑暗），周期性激发PSII电子传递。
- 检测读出：安培分析仪（BA1.1）与Ag/AgCl参比电极，在+620 mV下采集电流并用SynDet同步检测。
中文摘要
将同步检测（SD）原理引入生物传感器测量，利用已知光刺激频率对输出电流进行同步解调，可显著提高信噪比、降低检出限并增强测量稳健性，同时抑制搅拌、电磁干扰及寄生电流等噪声。SD还能将总响应分解为快速光刺激响应与慢速抑制或失活过程，并识别二阶现象。作者建立线性统计模型并开发软件，从含抑制剂的输出电流中识别刺激信号。将该方法应用于光系统II（PSII）复合体生物传感器。PSII对红光脉冲的响应符合一级动力学；通过同步检测分析PSII被除草剂抑制的动力学，发现除草剂与PSII结合的动力学常数在低浓度范围内随除草剂浓度呈线性变化，从而可用于低浓度除草剂定量。以莠去津（diuron）为例，线性范围为10^-6至10^-4 mM。
英文摘要
The principle of synchronous detection (SD) has been applied to biosensor measurement. SD principle achieves significant increases in the signal to noise ratio, limit of detection and overall measurement robustness. Application of SD in biosensor measurement improves the analysis of the response and avoids the influence of interference/noise produced by stirring, electromagnetic effects and influence of parasitic currents. SD also enables the decomposition of signal to stimulation response and phenomena with long time of response. Second-order phenomena are identifiable in the signal. Linear statistical model was used to develop software for identification of the stimulation signal in the output current. SD was applied to the response signal of a Photosystem II complex (PSII) biosensor. PSII response to light stimulation follows first order kinetics. The inhibition kinetics of PSII has been studied. Kinetic constants of herbicide binding to PSII depend linearly on herbicide concentration and enable measurement of its concentration at low concentrations (linear range for diuron is 10⁻⁶ to 10⁻⁴ mM).