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
甲醛（formaldehyde, CH2O）；样品基质：空气/气相（水溶液顶空气体，环境空气）
检测原理
气态甲醛经聚四氟乙烯膜扩散进入含 DL-FDH 的磷酸盐缓冲液。来自 H. zavarzinii 的 NAD+ 和谷胱甘肽非依赖性甲醛脱氢酶催化甲醛氧化为甲酸/甲酸盐，反应释放电子。电子经氧化还原介质 NQS 传递至石墨网工作电极，在 +0.2 V vs Ag/AgCl 下被安培检测。Ca2+ 稳定酶四聚体结构，PQQ 作为可能辅因子/重构剂提高酶活性，从而增强电子转移速率。甲醛浓度越高，单位时间酶催化转化量越大，NQS 还原/氧化循环产生的电流越大，在 0.5–15 vppm 范围内呈线性响应。
检测灵敏度
线性范围: 0.5–15 vppm；灵敏度: 0.39 μA/ppm（390 nA/ppm）
效应效果
传感器对甲醛选择性良好，3–60 mM 水溶液对应的气相甲醇范围内无响应，水蒸气不影响基线。灵敏度随酶量提高：300 μg 蛋白 76 nA/ppm，600 μg 200 nA/ppm；加 PQQ 和 Ca2+ 后 600 μg 270 nA/ppm，1200 μg 390 nA/ppm，t90 约 15 min。同一菌批重复性 >90%，4 ℃ 保存 24 h 约 98.5%（350/360 nA/ppm），不同菌批约 92%（350/390 nA/ppm）。EDTA 螯合 Ca2+ 后响应几乎消失。作者认为无需 NAD+ 有利于长期稳定，适合环境空气甲醛在线监测。
传感器的构成
- 外壳/固定层：塑料外壳（plastic housing），固定电极与膜组件
- 换能器电极：编织石墨网盘（woven graphite gauze, Ø15 mm）作工作电极与对电极，Pt 线接触，用于电子传递
- 参比电极：Ag/AgCl（3 M KCl）参比电极，用于施加 +0.2 V 电位
- 气体扩散膜：聚四氟乙烯膜（Teflon membrane, FALP02500, Millipore, Ø15 mm），允许气态甲醛扩散进入液相
- 酶保留膜：透析膜（dialysis membrane, MWCO 12,000–14,000 Da, Medicell），限制酶流失
- 缓冲液层：0.1 M KCl、80 mM 磷酸盐 pH 8 缓冲液，提供酶活性环境
- 氧化还原介质：1,2-萘醌-4-磺酸钠（NQS, 5 mM），传递酶反应释放电子至电极
- 识别元件：部分纯化染料结合甲醛脱氢酶（DL-FDH，H. zavarzinii ZV 580 P60 组分），催化甲醛氧化
- 酶重构/稳定剂：Ca2+（50 μM CaCl2）和 PQQ（1 μM），稳定四聚体结构并提高酶活性
中文摘要
本文报道一种用于空气中甲醛直接检测的安培型酶生物传感器系统。生物识别元件为来自 Hyphomicrobium zavarzinii ZV 580 的天然细菌 NAD+ 和谷胱甘肽非依赖性甲醛脱氢酶（DL-FDH），该酶通过补料分批培养甲基胺盐酸盐获得并部分纯化。传感器基于甲醛在酶催化下转化为甲酸，释放电子经氧化还原介质 1,2-萘醌-4-磺酸（NQS）传递至电极，在 +0.2 V vs Ag/AgCl 下安培检测。为优化传感装置，在缓冲液中加入 Ca2+ 和吡咯喹啉醌（PQQ）作为酶重构物质。在测试 ppm 范围内传感器呈线性响应，灵敏度 0.39 μA/ppm，基线信号和灵敏度高度可重复；同一菌批内灵敏度重复性 >90%，不同菌批酶也可保持约 92% 重复性。该传感器无需 NAD+，有望提高长期稳定性，并可直接用于环境空气中甲醛在线监测。
英文摘要
An amperometric enzyme-based sensor-system for the direct detection of formaldehyde in air is under investigation. The biosensor is based on a native bacterial NAD(+)- and glutathione-independent formaldehyde dehydrogenase as biorecognition element. The enzyme was isolated from Hyphomicrobium zavarzinii strain ZV 580, grown on methylamine hydrochloride in a fed-batch process. The sensor depends on the enzymatic conversion of the analyte to formic acid. Released electrons are detected in an amperometric measurement at 0.2V vs. Ag/AgCl reference electrode by means of a redox-mediator. To optimize the sensing device, Ca(2+) and pyrroloquinoline quinone (PQQ) were added to the buffer solution as reconstitutional substances. At this stage, the sensor shows linear response in the tested ppm-range with a sensitivity of 0.39 microA/ppm. The signal is highly reproducible with respect to sensitivity and base line signal. Reproducibility of sensitivity is more than 90% within the same bacterial batch and even when enzyme of different bacterial batches is used.