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）；样品基质为磷酸盐缓冲液（PBS），临床目标为血液（正常 15–40 mg/dL）
检测原理
该传感器基于酶级联催化与直接电化学检测。脲酶（Urs）将尿素水解为 NH4+、HCO3− 和 OH−；生成的 NH4+ 在谷氨酸脱氢酶（GLDH）催化下与 R-酮戊二酸（R-KG）和 NADH 反应，生成 L-谷氨酸和 NAD+，同时 NADH 被氧化并释放电子。原文称释放的电子经 Fe(III)/Fe(IV) 氧化还原探针传递至电极，并经功能化多层石墨烯（MLG）的高导电界面注入 ITO 电极，形成与尿素浓度相关的阳极电流。MLG 的大比表面积和羧基/羟基功能化界面有利于酶固定与电子传递。随着尿素浓度升高，NH4+ 生成量增加，NADH 氧化量增加，阳极峰电流线性增大。该体系未使用 HCR、RCA 或 CRISPR-Cas 等额外放大策略，主要依靠双酶级联催化产生可检测电子。
检测灵敏度
LOD: 3.9 mg dL−1；线性范围: 10–100 mg dL−1；灵敏度: 5.43 μA mg−1 dL cm−2；斜率: 2.691×10−6 A/(mg dL−1)（Ip = 5.899×10−4 + 2.691×10−6×[urea]）；R^2 = 0.997
效应效果
该传感器响应时间为 10 s，在 4 °C 冷藏条件下 6 周仍保留约 90% 酶活性，8 周降至约 85%。抗干扰测试中加入胆固醇 5 mM、抗坏血酸 0.05 mM、尿酸 0.1 mM 和葡萄糖 100 mg/dL（尿素 1 mM，PBS），响应基本不变，仅尿酸使响应增加约 7%。表 2 将其与文献比较，列出检测范围 1.66–16.6 mM、LOD 0.6474 mM、灵敏度 32 μA mM−1 cm−2、响应 10 s、稳定性 40 d。原文未报告实际血清/尿液样品加标回收率、RSD 或与 ELISA/HPLC/qPCR 的直接对比。作者认为该平台可拓展至葡萄糖、胆固醇、甘油三酯等临床生物分析物检测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：ITO 玻璃电极（sheet resistance 30 Ω cm−1，面积 0.5 cm2），提供导电基底并作为电化学换能器。
- 纳米材料修饰层：功能化多层石墨烯（functionalized MLG）薄膜，由 MWCNTs 经浓 H2SO4/HNO3 氧化开环制备，含羧基/羟基，经电泳沉积（EPD）形成导电传感界面。
- 共价偶联层：EDC 与 NHS 活化 MLG 羧基，使酶氨基与羧基形成酰胺键，实现共价固定。
- 识别/催化元件：脲酶（urease, Urs）与谷氨酸脱氢酶（GLDH），催化尿素水解及 NH4+ 后续反应。
- 电子供体/反应底物：NADH 与 R-酮戊二酸（R-KG），在 GLDH 催化下参与反应并产生 NAD+ 与电子。
- 氧化还原探针：Fe(III)/Fe(IV) 探针（原文提及），辅助将酶反应电子传递至电极。
- 信号标记物：无外源标记；NADH 氧化为 NAD+ 释放电子，经 MLG/ITO 传递形成电流信号。
中文摘要
多层石墨烯（MLG）因具有极高的二维电导率和大比表面积，是电化学传感与生物传感的潜在材料。本文提出一种低毒、可重复且简便的方法，仅使用浓硫酸/硝酸将多壁碳纳米管（MWCNTs）大规模转化为功能化多层石墨烯。电子显微镜结果证实 MLG 的形成，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子能谱（XPS）数据表明其具有羧基和羟基功能化特征。作者将该功能化 MLG 通过电泳沉积制备成薄膜电极，并利用 EDC-NHS 化学共价固定脲酶（Urs）和谷氨酸脱氢酶（GLDH），构建新型安培式尿素生物传感器。该传感器在 10–100 mg/dL 范围内呈线性响应，灵敏度为 5.43 μA mg−1 dL cm−2，检出限为 3.9 mg/dL，响应时间为 10 s。结果表明 MLG 是电化学生物传感应用的有前景材料。
英文摘要
Multilayered graphene (MLG) is an interesting material for electrochemical sensing and biosensing because of its very large 2D electrical conductivity and large surface area. We propose a less toxic, reproducible, and easy method for producing functionalized multilayer graphene from multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) in mass scale using only concentrated H(2)SO(4)/HNO(3). Electron microscopy results show the MLG formation, whereas FTIR and XPS data suggest its carboxylic and hydroxyl-functionalized nature. We utilize this functionalized MLG for the fabrication of a novel amperometric urea biosensor. This biosensor shows linearity of 10-100 mg dL(-1), sensitivity of 5.43 μA mg(-1) dL cm(-2), lower detection limit of 3.9 mg dL(-1), and response time of 10 s. Our results suggest that MLG is a promising material for electrochemical biosensing applications.