组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
镉离子（Cd2+）、锌离子（Zn2+）；样品基质：水样（实验为重金属溶液，面向饮用水/环境水监测）
检测原理
该传感器以全细胞微藻为识别元件。饥饿培养的 Chlorella vulgaris 细胞壁富含碱性磷酸酶（APA），在 pH 9 的 tris-HCl/MgCl2 缓冲液中，电化学惰性底物 p-硝基苯磷酸盐（p-NPP）被 APA 去磷酸化，生成电化学活性产物 p-硝基苯酚（p-NP）。p-NP 扩散至硼掺杂金刚石电极表面，并在 1.2 V 恒电位下氧化，产生计时电流。重金属 Cd2+ 或 Zn2+ 与细胞/酶相互作用后抑制 APA 活性，降低 p-NP 生成速率，使氧化电流随浓度增加而下降；低浓度时细胞胁迫可能短暂提高酶活。金刚石表面弱吸附和化学惰性可减少 p-NP 氧化产生的硝基苯氧自由基/阳离子聚合造成的电极污染，从而维持稳定信号。
检测灵敏度
LOD: 0.1 ppb（Cd2+ 和 Zn2+）；灵敏度: 8.03 mA M−1 cm−2（金刚石，p-NPP 校准）；铂电极: 4.03 mA M−1 cm−2
效应效果
与铂电极相比，金刚石传感器底物校准灵敏度为 8.03 mA M−1 cm−2，铂为 4.03 mA M−1 cm−2，且 0.125 mM 底物即接近饱和，铂为 0.2 mM。20 次循环后金刚石电流波动在初始 10% 内，铂下降超过 40%；14 天稳定性中金刚石波动约 ±10%，铂降至初始 60%。对 Cd2+ 和 Zn2+ 检测限 0.1 ppb，优于美国饮用水限值（Cd 5 ppb、Zn 5 ppm）及其他 C. vulgaris 光学/电导传感器（Cd 约 10 ppb），但低于抗体法 Cd 30 ppt。作者认为适合环境水重金属监测，但酶暴露重金属后不可再激活，寿命受酶饱和限制。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：硼掺杂金刚石（BDD）电极，生长于铌（Nb）盘，经 Piranha 溶液氧化和氢等离子体处理，提供宽电位窗口、低背景电流和抗污染表面。
- 细胞包埋/固定层：牛血清白蛋白（BSA）膜，包埋饥饿培养的 Chlorella vulgaris 细胞，并用戊二醛蒸气交联固定，保持细胞活性并允许底物/产物扩散。
- 识别元件：全细胞微藻 Chlorella vulgaris，细胞壁富含碱性磷酸酶（APA），作为重金属响应识别元件。
- 底物/信号前体：p-硝基苯磷酸盐（p-NPP），电化学惰性，被碱性磷酸酶催化去磷酸化。
- 信号产物：p-硝基苯酚（p-NP），电化学活性，在金刚石电极上氧化产生电流。
- 电解液/酶激活剂：0.1 M tris-HCl 缓冲液含 1 mM MgCl2，维持 pH 9 并激活碱性磷酸酶。
- 辅助电极：铂丝对电极和饱和 Ag/AgCl 参比电极，用于恒电位计时电流测量。
中文摘要
本文报道了在硼掺杂金刚石电极上构建的全细胞环境生物传感器。将单细胞绿藻 Chlorella vulgaris 用牛血清白蛋白（BSA）包埋，并以戊二醛交联固定于金刚石表面，用于重金属离子检测。金刚石具有宽电位窗口、低背景电流、弱有机吸附和高稳定性，可减轻金属电极常见的污染问题。藻细胞壁富含碱性磷酸酶，在碱性条件下催化 p-硝基苯磷酸盐去磷酸化生成 p-硝基苯酚，后者在电极上氧化产生电流；重金属离子抑制酶活，使电流下降。优化条件为细胞密度 5×10^7 cells/mL、pH 9。与铂电极相比，金刚石传感器灵敏度更高（8.03 对 4.03 mA M−1 cm−2），抗污染和长期稳定性更好，14 天电流波动约 ±10%，而铂电极降至初始 60%。对 Cd2+ 和 Zn2+ 的检测限为 0.1 ppb，优于美国饮用水标准，也优于其他 C. vulgaris 光学或电导生物传感器。
英文摘要
A whole-cell environmental biosensor was fabricated on a diamond electrode. Unicellular microalgae Chlorella vulgaris was entrapped in the bovine serum albumin (BSA) membrane and immobilized directly onto the surface of a diamond electrode for heavy metal detection. We found that the unique surface properties of diamond reduce the electrode fouling problem commonly encountered with metal electrodes. The cell-based diamond biosensor can attain a detection limit of 0.1 ppb for Zn(2+) and Cd(2+), and exhibits higher detection sensitivity and stability compared to platinum electrodes.