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
有机磷杀虫剂（organophosphorus insecticides, OP）：马拉硫磷（malathion）、毒死蜱（chlorpyrifos）、monocrotophos、硫丹（endosulfan）；样品基质：自来水/水样、牛奶
检测原理
该传感器基于有机磷（OP）农药对乙酰胆碱酯酶（AChE）的抑制作用。AChE 共价固定于 Fe3O4NP/c-MWCNT 修饰金电极表面，在 pH 7.5、35 ℃下催化底物乙酰硫代胆碱氯化物（ATCl）水解为硫代胆碱（thiocholine）。当样品中存在 OP 时，其磷酸基团与 AChE 活性中心丝氨酸羟基共价结合，形成磷酸化酶，使酶活性下降；OP 浓度越高，酶抑制越强，ATCl 水解速率越低，生成的 thiocholine 越少。thiocholine 在 +0.4 V 工作电位下于 Fe3O4NP/c-MWCNT/Au 界面发生电催化氧化二聚，产生与酶活性成正比的电流。Fe3O4NP 与 c-MWCNT 协同降低氧化过电位、加快电子转移，提高电流响应。因此，电流随 OP 浓度增加而降低，通过标准曲线实现定量。
检测灵敏度
LOD: 0.1 nM（malathion、chlorpyrifos），1 nM（monocrotophos），10 nM（endosulfan）；线性范围: 0.1–40 nM（malathion）、0.1–50 nM（chlorpyrifos）、1–50 nM（monocrotophos）、10–100 nM（endosulfan）；灵敏度: 0.475 mA μM−1
效应效果
传感器抗干扰性较好：2 μM 的 Zn(II)、Cu(II)、Cd(II)、Ni(II)、Fe(III)、Pb(II)、Cr(III) 等重金属离子无明显影响，仅 Hg(II) 和 Cr(VI) 分别造成 40% 和 15% 的抑制效应；0.1 mM 抗坏血酸和尿酸不引起显著电流变化。14 天内重复性和日间精密度 RSD 均小于 14%，准确度为 98–110%（0.2–15 nM）。自来水加标回收率为 95–115%，牛奶加标回收率为 103–109%。电极在 4 ℃干燥保存 2 个月、使用 50 次后活性损失 25%，可重复使用 50 次以上，响应时间约 4 s。与 GC、HPLC、GC-MS 相比，该传感器便携、快速、成本低且无需复杂前处理，适用于牛奶和水样中 OP 农药残留的现场痕量监测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：多晶金电极（Au electrode, AuE），经氧化铝抛光和电化学清洗，作为工作电极与电子传导基底
- 纳米材料修饰层：四氧化三铁纳米粒子/羧基化多壁碳纳米管复合层（Fe3O4NP/c-MWCNT），涂覆干燥，提供大比表面积、电催化活性与羧基共价结合位点
- 识别元件：乙酰胆碱酯酶（AChE，玉米幼苗来源，2 mg/mL，10 μL 固定），催化底物水解并被有机磷农药抑制
- 底物/信号前体：乙酰硫代胆碱氯化物（ATCl，0.5 mM/600 μM），被 AChE 水解生成硫代胆碱
- 信号标记/电化学产物：硫代胆碱（thiocholine），在 +0.4 V 发生电催化氧化二聚生成二硫化物，产生电流
- 参比/辅助电极：Ag/AgCl 参比电极与 Pt 辅助电极，构成三电极体系
- 检测仪器/读出：恒电位计/恒电流计（potentiostat/galvanostat, Autolab），在 +0.4 V 恒电位安培检测稳态电流
- 再生剂：2-吡啶醛肟碘化物（2-PAM，4.0 mM），用于 AChE 再生和电极复用
中文摘要
本研究从玉米幼苗中纯化乙酰胆碱酯酶（AChE），并将其共价固定于四氧化三铁纳米粒子（Fe3O4NP）与羧基化多壁碳纳米管（c-MWCNT）修饰的金电极上，构建用于检测有机磷（OP）杀虫剂的安培型生物传感器。该传感器以 AChE/Fe3O4NP/c-MWCNT/Au 为工作电极，Ag/AgCl 为参比电极，Pt 丝为辅助电极，通过恒电位计进行三电极电化学检测。传感器基于 OP 化合物对 AChE 的抑制作用。采用扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）表征修饰电极。Fe3O4NP 与 c-MWCNT 的协同作用在 +0.4 V 低电位下表现出优异电催化活性。最佳工作条件为 pH 7.5、35 ℃、底物浓度 600 μM、农药抑制 10 min。在最佳条件下，马拉硫磷、毒死蜱、monocrotophos 和硫丹的线性范围分别为 0.1–40 nM、0.1–50 nM、1–50 nM 和 10–100 nM；检出限分别为 0.1 nM、0.1 nM、1 nM 和 10 nM。传感器灵敏度为 0.475 mA μM−1，可重复使用 50 次以上，稳定性达 2 个月，适用于牛奶和水样中 OP 农药残留的痕量检测。
英文摘要
An acetylcholinesterase (AChE) purified from maize seedlings was immobilized covalently onto iron oxide nanoparticles (Fe(3)O(4)NP) and carboxylated multi walled carbon nanotubes (c-MWCNT) modified Au electrode. An organophosphorus (OP) biosensor was fabricated using this AChE/Fe(3)O(4)/c-MWCNT/Au electrode as a working electrode, Ag/AgCl as standard and Pt wire as an auxiliary electrode connected through a potentiostat. The biosensor was based on inhibition of AChE by OP compounds/insecticides. The properties of nanoparticles modified electrodes were studied by scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared (FTIR), cyclic voltammograms (CVs) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The synergistic action of Fe(3)O(4)NP and c-MWCNT showed excellent electrocatalytic activity at low potential (+0.4V). The optimum working conditions for the sensor were pH 7.5, 35°C, 600 μM substrate concentration and 10 min for inhibition by pesticide. Under optimum conditions, the inhibition rates of OP pesticides were proportional to their concentrations in the range of 0.1-40 nM, 0.1-50 nM, 1-50 nM and 10-100 nM for malathion, chlorpyrifos, monocrotophos and endosulfan respectively. The detection limits were 0.1 nM for malathion and chlorpyrifos, 1 nM for monocrotophos and 10nM for endosulfan. The biosensor exhibited good sensitivity (0.475 mA μM(-1)), reusability (more than 50 times) and stability (2 months). The sensor was suitable for trace detection of OP pesticide residues in milk and water.