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
尿素（urea），样品基质为人血清（human serum）；铵离子（ammonium）用于传感器响应校准。
检测原理
传感器基于脲酶催化与聚苯胺对铵离子的选择性掺杂。脲酶将尿素水解为铵离子和碳酸氢根：urea + 2H2O + H+ → 2NH4+ + HCO3−。在0.07 V平衡电位下，生成的NH4+进入喷墨打印NanoPANI膜并作为掺杂剂使聚苯胺氧化态增加，改变膜界面电荷。随后电位阶跃至−0.3 V vs. Ag/AgCl，PANI发生还原/去掺杂，产生阴极电流；计时库仑法对电流积分得到总电荷Qtotal=Qdl+Qads+Qdiff，其中与吸附/掺杂铵相关的Qads随尿素浓度增加而增加。该机制避免pH电极受缓冲容量影响，以酶催化转化和电荷积分实现信号放大。
检测灵敏度
线性范围: 尿素 2–12 mM；铵 0.1–100 mM；斜率: 尿素 6.7 μC mM−1；截距: 60.1 μC；铵响应: y = 3.55×10−4 Log x + 2.89×10−5；r^2 = 0.98
效应效果
该传感器在15份正常人血清中与商品化光谱比色酶法试剂盒比较，相关系数为0.85，回归斜率0.84、截距0.89。Bland-Altman分析显示，在5.8–6.6 mM范围内平均正偏差0.12 mM，相对偏差<2%；最低样本偏差约0.8 mM（约25%）。日内和日间变异系数分别<5%和<7%（n=6）；5个电极在1 mM铵离子下CV为7.3%，酶打印量CV为8.0%（n=3）。聚苯胺对铵离子具有选择性，避免传统pH电极受缓冲容量影响。喷墨打印电压16 V下酶活性损失约2%（未发表数据），但长期稳定性未充分验证。作者认为该器件适合低成本、可批量制备的即时检测。
传感器的构成
- 基底：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）柔性基底，承载丝网印刷电极。
- 工作电极：碳浆（carbon paste ink）丝网印刷工作电极，面积7.07 mm2，作为电化学换能器。
- 绝缘层：绝缘油墨层，隔离电极并定义工作电极面积。
- 纳米修饰层：喷墨打印聚苯胺纳米粒子（NanoPANI），以十二烷基苯磺酸（DBSA）为掺杂/稳定剂，选择性结合铵离子并发生氧化还原电荷变化。
- 识别元件：喷墨打印脲酶（urease，jack bean），催化尿素水解生成铵离子和碳酸氢根。
- 生物墨水添加剂：甘油（glycerol，0.1% v/v）和Triton X-100（0.01% v/v），调节喷墨打印性能并维持酶活性。
- 反应介质：磷酸盐缓冲液（phosphate buffer，0.1 M，pH 7.12）或人血清，提供酶反应与电荷传递环境。
- 参比/辅助电极：Ag/AgCl参比电极和Pt辅助电极，用于三电极计时库仑测量。
中文摘要
本文报道了一种用于检测人血清中尿素的喷墨打印生物传感器。该传感器以丝网印刷碳浆电极为基底，依次喷墨打印聚苯胺纳米粒子（NanoPANI）和脲酶（urease）构建工作电极。检测采用计时库仑法：脲酶催化尿素水解生成铵离子，铵离子在约0.07 V平衡电位下与聚苯胺膜结合并使其掺杂氧化；随后电位阶跃至−0.3 V（vs. Ag/AgCl），通过监测阴极电荷变化定量铵离子，从而间接测定尿素。传感器对铵离子的响应范围为0.1–100 mM，对尿素的线性范围为2–12 mM（r2=0.98）。与15份正常人血清的光谱比色法结果比较，相关系数为0.85；Bland-Altman分析显示，在5.8–6.6 mM范围内，传感器相对参考方法平均正偏差为0.12 mM（<2% RSD）。该器件展示了低成本、可批量制备和潜在即时检测应用价值。
英文摘要
A biosensor for the determination of urea in human serum was fabricated using a combination of inkjet printed polyaniline nanoparticles and inkjet printed urease enzyme deposited sequentially onto screen-printed carbon paste electrodes. Chronocoulometry was used to measure the decomposition of urea via the doping of ammonium at the polyaniline-modified electrode surface at -0.3 V vs. Ag/AgCl. Ammonium could be measured in the range from 0.1 to 100 mM. Urea could be measured by the sensor in the range of 2-12 mM (r(2)=0.98). The enzyme biosensor was correlated against a spectrophotometric assay for urea in 15 normal human serum samples which yielded a correlation coefficient of 0.85. Bland-Altman plots showed that in the range of 5.8-6.6 mM urea, the developed sensor had an average positive experimental bias of 0.12 mM (<2% RSD) over the reference method.