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
甲萘威（carbaryl，有机磷农药 OPs 模型化合物）；样品基质：0.1 M PBS 标准溶液（可拓展至环境水样/农药残留分析）
检测原理
该传感器以 TiO2-G 纳米杂化物修饰玻璃碳电极，AChE 固定于其表面。TiO2 纳米颗粒分散在石墨烯表面，抑制石墨烯再堆叠，形成连续导电通道，提高电子转移效率并增强酶固定。检测时，样品中的有机磷化合物（以 carbaryl 为模型）先与 AChE 活性位点结合，抑制其催化活性；随后加入底物 ATCl，未被抑制的 AChE 催化 ATCl 水解生成硫代胆碱（thiocholine）。thiocholine 在 +700 mV 发生不可逆氧化，产生安培电流。农药浓度越高，AChE 被抑制越明显，thiocholine 生成量减少，氧化电流降低，抑制率与农药浓度相关。该过程利用酶催化反应将分子识别转化为电化学信号，TiO2-G 导电网络起到信号放大与快速响应作用。
检测灵敏度
LOD: 0.3 ng mL−1 (S/N=3)；线性范围: 0.001–0.015 mg mL−1 和 0.015–2 mg mL−1；ATCl 线性范围: 0.3–1.1 mM，相关系数: 0.9987；Km: 0.22 mM
效应效果
传感器对 ATCl 的 Km 为 0.22 mM，低于金纳米粒子溶胶-凝胶膜（0.45 mM）、碳纳米管/N,N-二甲基甲酰胺复合膜（0.66 mM）和聚乙烯亚胺修饰电极（1.5 mM），表明固定 AChE 活性较高。carbaryl 抑制时间仅 3 min，短于多壁碳纳米管/烷硫醇自组装单层金电极（8 min）和普鲁士蓝修饰电极（10 min）。批内、批间 RSD 为 6.3%、8.2%；4°C 保存 7 d 无明显下降，20 d 保留 83% 初始电流。一定浓度 carbaryl 抑制后，PBS 浸泡 10 min 可恢复 91.8% 活性。其线性范围宽于多壁碳纳米管/酞菁钴直接电化学法和流动注射-直接化学发光法，可用于有机磷农药分析。
传感器的构成
- 基底电极：玻璃碳电极（GCE），经砂纸和氧化铝抛光清洗，作为工作电极与电子转导基底
- 纳米杂化修饰层：TiO2-G 纳米杂化物（TiO2 纳米颗粒修饰石墨烯，TiO2-G），涂覆于 GCE 表面，提供导电通道、生物相容固定平台并防止石墨烯再堆叠
- 识别元件：乙酰胆碱酯酶（AChE，电鳗来源），固定于 TiO2-G/GCE，催化底物 ATCl 水解并受有机磷化合物抑制
- 底物：乙酰硫代胆碱氯化物（ATCl），加入 PBS 中作为 AChE 底物，水解生成电活性产物
- 信号分子：硫代胆碱（thiocholine），ATCl 水解产物，在 +700 mV 被氧化产生安培电流
- 缓冲介质：0.1 M 磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.0），维持酶活性与电化学测量环境
中文摘要
本文报道了一种基于将乙酰胆碱酯酶（AChE）固定于新型二氧化钛修饰石墨烯（TiO2-G）纳米杂化物上的高灵敏、快速安培生物传感器，用于有机磷化合物（OPs）检测。该纳米杂化物通过在石墨烯片上原位生长二氧化钛纳米颗粒（NPs）构建，分散良好的 TiO2 NPs 消除了 TiO2-G 纳米杂化物的再堆叠。得益于 TiO2-G 纳米杂化物的整合，所制备传感器对乙酰硫代胆碱（ATCl）具有高亲和力，米氏常数（Km）为 0.22 mM，抑制时间快速（3 min）。进一步，基于 OPs 对固定 AChE 酶活性的抑制，并以甲萘威（carbaryl）为模型化合物，carbaryl 的抑制率与其浓度在 0.001–0.015 mg/mL 和 0.015–2 mg/mL 范围内呈比例关系，检出限为 0.3 ng/mL（S/N=3）。所开发传感器在有机磷农药检测中表现出良好性能，包括良好的重现性和可接受的稳定性，为酶抑制剂分析提供了新的有前景工具。
英文摘要
This work describes a highly sensitive and rapid amperometric biosensor for organophosphate compounds (OPs) based on immobilization of acetylcholinesterase (AChE) on a novel TiO(2)-decorated graphene (TiO(2)-G) nanohybrid, which was constructed by in situ growth of TiO(2) nanoparticles (NPs) on the graphene sheet. The well-dispersed TiO(2) NPs eliminated the restacking of TiO(2)-G nanohybrids. Due to the integrating of TiO(2)-G nanohybrids, the as-prepared biosensor showed high affinity to acetylthiocholine (ATCl) with a Michaelis-Menten constant (K(m)) value of 0.22 mM, and rapid inhibition time (3 min). Further, based on the inhibition of OPs on the enzymatic activity of the immobilized AChE, and using carbaryl as a model compound, the inhibition of carbaryl was proportional to its concentration ranging from 0.001 to 0.015 and 0.015 to 2 μg mL(-1) with a detection limit of 0.3 ng mL(-1) (S/N = 3). The developed biosensor exhibited a good performance for organophosphate pesticide detection, including good reproducibility and acceptable stability, which provided a new and promising tool for the analysis of enzyme inhibitors.