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
超氧阴离子（superoxide anion, O2•−）；样品基质：贴附于电极表面的Hela活细胞体系（50 mM K3PO4缓冲液，pH 7.0）
检测原理
Mn2+经离子交换进入ZSM-5沸石微结构，并由PDDA固定于ITO电极表面，形成Mn2+-ZSM/PDDA仿生SOD电极。O2•−到达电极界面后，被Mn2+/MnO2+催化歧化：一个O2•−氧化Mn2+生成MnO2+和H2O2，另一个O2•−还原MnO2+生成Mn2+和O2。沸石微结构使Mn2+处于表面限域状态，促进直接电子转移，其形式电位561±6 mV位于O2•−/O2与O2•−/H2O2热力学电位之间，因此O2•−的氧化和还原分别对应阳极和阴极电流。在+0.6 V或-0.1 V下，O2•−浓度升高使Mn2+/MnO2+氧化还原电流阶梯式增大，稳态电流与浓度成正比，从而实现实时检测。
检测灵敏度
LOD: 0.37 μM；线性范围: 5 × 10−7–1.2 × 10−3 M
效应效果
该传感器对O2•−具有良好选择性：在+0.6 V下，ONOO−、10 μM AA、5 μM DA和5 μM Cys相对10 μM O2•−的电流响应分别为13.15%、10.15%、28.43%和2.87%；在-0.1 V下，OH•、ONOO−、1O2和10 μM AA响应为6.51%、9.83%、7.28%和6.72%，其他干扰<1%。电极四个月响应稳定，五个电极重现性RSD<4.2%。将约2.5×10^6个Hela细胞贴附于电极表面，zymosan刺激后阴极电流显著增加，估算释放O2•−约1.1×10−5 M；加入300 U mL−1 SOD后5 s内电流降至背景。作者认为该方法可用于活细胞O2•−实时原位监测，并构建长期稳定的第三代仿生生物传感器。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：ITO玻璃板（indium tin oxide, ITO），提供导电基底与电子转移通道
- 纳米材料修饰层：Mn2+离子交换ZSM-5沸石（Mn2+-ZSM），将Mn2+限域于沸石微结构内，形成仿生SOD活性位点并促进直接电子转移
- 固定/封闭层：聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA），涂覆于沸石表面，固定Mn2+-ZSM并提高电极稳定性与生物相容性
- 仿生识别/催化元件：Mn3(PO4)2（Mn2+/MnO2+）作为模拟超氧化物歧化酶（SOD），催化O2•−歧化反应
- 被测物：超氧阴离子（superoxide anion, O2•−），来自贴附于电极表面的活细胞释放
- 信号读出：CHI 660电化学工作站三电极体系，在+0.6 V或-0.1 V下记录安培电流
中文摘要
本文报道了一种基于锰(II)磷酸盐（Mn3(PO4)2）直接电子转移的原位实时检测超氧阴离子（O2•−）的可靠且耐用方法。Mn3(PO4)2作为模拟超氧化物歧化酶（SOD）发挥催化作用；Mn2+经离子交换进入ZSM-5沸石微结构，并在其表面涂覆聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA）。沸石微结构显著促进Mn2+的直接电子转移，其形式电位为561±6 mV（vs. Ag|AgCl），恰好位于O2•−/O2与O2•−/H2O2的热力学电位之间。Mn3(PO4)2的仿生催化活性与沸石电极上增强的Mn2+电子转移相结合，为O2•−检测提供了高选择性、宽线性范围、低检出限和快速响应的平台。此外，Mn2+-ZSM/PDDA电极表现出较长期稳定性、良好重现性和生物相容性，使细胞可直接贴附于膜表面进行细胞内源物质的原位监测。因此，该O2•−生物传感器优异的解析性能与Mn2+-ZSM/PDDA电极表面特性相结合，建立了一种实时检测活细胞释放O2•−的新方法。
英文摘要
This paper demonstrates a reliable and durable method for in situ real-time determination of O(2)˙(-) based on direct electron transfer of Mn(3)(PO(4))(2), which acts as a superoxide dismutase (SOD). Mn(2+) is ion-exchanged into zeolite-ZSM-5 microstructures, and further coated with poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA). Direct electron transfer of Mn(2+) is greatly facilitated by zeolite microstructures with the formal potential of 561 ± 6 mV vs. Ag|AgCl, which is just located between thermodynamic potentials of O(2)˙(-)/O(2) and O(2)˙(-)/H(2)O(2). The biomimetic catalytic activity of Mn(3)(PO(4))(2), together with the enhanced electron transfer of Mn(2+) obtained at the zeolite electrode has provided a platform for determination of O(2)˙(-) with high selectivity, wide linear range, low detection limit, and quick response. On the other hand, the present Mn(2+)-ZSM/PDDA electrode shows relatively long-term stability, good reproducibility, and biocompatibility, which opens up a way to adhering cells directly onto the film surface for in situ monitoring of cellular species. As a sequence, the remarkable analytical performance of the present O(2)˙(-) biosensor, combined with the characteristics of the Mn(2+)-ZSM/PDDA electrode surface has established a novel approach for real-time determination of O(2)˙(-) released from living cells.