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
α-酮戊二酸（α-ketoglutarate, α-KG）；样品基质为磷酸盐缓冲液（0.1 M phosphate buffer, pH 8.0，含1 mM NADH和100 μM NH4Cl），面向细胞/生物样品实时监测
检测原理
该传感器基于酶催化与金属电催化耦合的安培检测。GLUD催化α-KG与NH3、NADH反应生成L-谷氨酸、NAD+和水，α-KG浓度升高会消耗更多NADH。Ru/Rh纳米颗粒修饰的CFE对NADH氧化具有电催化作用，在+0.4 V下检测NADH氧化电流。因此，α-KG浓度越高，溶液中剩余NADH越少，NADH氧化电流越低，形成负相关安培信号。Ru/Rh共沉积使NADH氧化过电位较裸CFE降低约400 mV，并减少氧化产物吸附造成的表面污染，从而提高响应稳定性和重现性。该体系无需额外信号放大策略，依靠酶反应与金属纳米颗粒电催化实现快速检测，响应时间约6 s。
检测灵敏度
LOD: 20 μM；线性范围: 100–600 μM；灵敏度: 42 μA M−1；R^2 = 0.999
效应效果
该传感器对α-KG响应快速，稳态响应时间约6 s。连续检测100 μM α-KG约1000 s无明显灵敏度损失，戊二醛保护层有助于维持酶活性。三个电极电流响应RSD为5.7%，重复校准RSD为7.3%。0.2 mM尿酸对1 mM NADH电流影响小于1%，但0.2 mM抗坏血酸造成较大偏差，生理浓度抗坏血酸会明显影响性能，作者建议用表面固定抗坏血酸氧化酶消除干扰。文中未报告实际样品加标回收率或与ELISA、HPLC等方法的直接对比。作者认为该微型碳纤维传感器有望用于α-KG实时电化学监测，尤其适用于IDH1突变胶质瘤等生物医学场景。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：单根碳纤维微电极（CFE，直径8 μm，截短至1000 μm），插入聚丙烯管并用铜线与导电银环氧提供电接触，作为电化学换能器
- 纳米材料修饰层：电化学共沉积钌（Ru）和铑（Rh）纳米颗粒（粒径100–250 nm，EDX原子比Ru 15.53%、Rh 84.46%），增强NADH电催化氧化并降低过电位
- 识别元件：谷氨酸脱氢酶（GLUD，牛肝型III，EC 1.4.1.3），催化α-KG与NH3和NADH反应生成L-谷氨酸和NAD+
- 保护层/封闭剂：2%戊二醛（glutaraldehyde）浸泡3 s，形成保护涂层并交联固定GLUD，提高酶稳定性
- 反应底物/电子供体：NADH（1 mM）和NH4Cl（100 μM）作为酶反应底物，NADH氧化提供安培信号
- 信号读出：三电极体系（Ag/AgCl参比电极、铂丝对电极）与电化学工作站，在+0.4 V安培检测NADH氧化电流
中文摘要
本文报道了一种基于碳纤维电极（CFE）的快速、高灵敏微型安培生物传感器，用于检测α-酮戊二酸（α-KG）。该传感器通过在单根碳纤维表面电化学共沉积钌（Ru）和铑（Rh）纳米颗粒，并固定谷氨酸脱氢酶（GLUD）构建。SEM和EDX表征表明，Ru/Rh纳米颗粒均匀覆盖碳纤维表面，粒径约100–250 nm。混合Ru/Rh涂层对还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）具有显著增强的电催化氧化活性，使NADH氧化过电位较未修饰CFE降低约400 mV，并有效减少NADH氧化过程中常见的电极表面污染，提高稳定性。进一步固定GLUD后，传感器通过监测酶反应中NADH的消耗实现对α-KG的安培检测。该传感器对α-KG浓度动态变化响应迅速，响应时间为6 s；电流响应在100–600 μM范围内线性，灵敏度为42 μA M−1，检出限为20 μM。该概念验证研究表明，GLUD-Ru/Rh-CFE生物传感器有望用于α-KG的实时电化学测量。
英文摘要
A rapid and highly sensitive miniaturized amperometric biosensor for the detection of α-ketoglutarate (α-KG) based on a carbon fiber electrode (CFE) is presented. The biosensor is constructed by immobilizing the enzyme, glutamate dehydrogenase (GLUD) on the surface of single carbon fiber modified by co-deposition of ruthenium (Ru) and rhodium (Rh) nanoparticles. SEM and EDX shed useful insights into the morphology and composition of the modified microelectrode. The mixed Ru/Rh coating offers a greatly enhanced electrocatalytic activity towards the detection of β-nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), with a substantial decrease in overpotential of ∼ 400 mV compared to the unmodified CFE. It also imparts higher stability with minimal surface fouling, common to NADH oxidation. Further modification with the enzyme, GLUD leads to effective amperometric biosensing of α-KG through monitoring of the NADH consumption. A very rapid response to dynamic changes in the α-KG concentrations is observed with a response time of 6s. The current response is linear between 100 and 600 μM with a sensitivity of 42 μAM(-1) and a detection limit of 20 μM. This proof of concept study indicates that the GLUD-Ru/Rh-CFE biosensor holds great promise for real-time electrochemical measurements of α-KG.