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
神经毒性农药（neurotoxic pesticides，包括西维因 carbaryl、毒死蜱 chlorpyrifos/氧化毒死蜱 chlorpyrifos-oxon、杀螟硫磷 chlorfenvinphos）；样品基质：废水、地下水、瓶装水及 HPLC 级水
检测原理
固定于丝网印刷电极的果蝇 AChE 催化底物乙酰硫代胆碱氯化物（ATCh）水解，生成硫代胆碱（thiocholine）和乙酸；硫代胆碱在含 7,7,8,8-四氰基醌二甲烷（TCNQ）介导的石墨工作电极上氧化，产生与酶活性成正比的稳态安培电流。样品中有机磷或氨基甲酸酯类神经毒性农药与 AChE 结合并抑制其活性，使酶促电流下降。检测采用两步比率法：先测未抑制酶促电流 ΔI1，再让电极接触样品 10 min 后测 ΔI2，抑制率=(ΔI1-ΔI2)/ΔI1×100%，与神经毒性物质含量成正比。系统无外源信号放大，主要依靠酶催化、安培换能、低噪声恒电位仪、24-bit A/D 和移动平均提高信噪比。
检测灵敏度
LOD: below 2 µg/L；线性范围: 2 µg/L–8 µg/L（0–16 µg/L 测试）；灵敏度斜率: y = 9.646x + 9.576；R^2 = 0.9969；H2O2 校准: 7.50×10^-4 M–6.75×10^-3 M，R^2 = 0.997
效应效果
系统整体噪声约160 pA，移动平均后可降至30 pA；温度系数约5% °C^-1；稳态电流最大导数为0.001% s^-1，漂移低；动态范围超过4个数量级（1–50,000，分辨率15.7 bit）；不同日期重复性差异低于5%，加底物重复性优于5%。方法响应总神经毒性而非单一化合物，可区分污染与未污染样品。实际水样中，废水加标西维因0.3、3.4、4.1 µg/L分别产生11%、60%、72%抑制；地下水加标杀螟硫磷34 µg/L抑制29%，氧化毒死蜱10 µg/L抑制44%；瓶装水空白抑制3%，100 µg/L混合农药抑制96%。单样分析约20 min，无需前处理，适合现场筛查。
传感器的构成
- 基底载体：PVC 片（polyvinyl chloride, PVC），承载多层丝网印刷电极。
- 导电层：银导线（silver track），提供电路导电通路。
- 绝缘隔离层：石墨膜（graphite film），隔离银导电轨与溶液。
- 参比电极：Ag/AgCl 印刷层，提供稳定参比电位。
- 工作电极：石墨与 7,7,8,8-四氰基醌二甲烷（TCNQ）复合层，作为安培换能器并介导硫代胆碱氧化。
- 绝缘固定层：绝缘油墨（insulating ink），限定工作面积并固定电极表面。
- 识别元件：果蝇乙酰胆碱酯酶（Drosophila melanogaster AChE）包埋于 PVA-SbQ 光聚合物（polyvinyl alcohol photopolymer, PVA-SbQ），催化底物水解并受神经毒性农药抑制。
- 底物/信号前体：乙酰硫代胆碱氯化物（acetylthiocholine chloride, ATCh），被 AChE 水解生成硫代胆碱，在电极氧化产生电流。
- 读出装置：自研便携式恒电位仪（potentiostat）与 Lab-Windows CVI 软件，进行电流-电压转换、24-bit A/D 采集和数据处理。
中文摘要
开发了一种高灵敏度便携式生物传感器系统，用于筛查水样中的神经毒性物质。系统由三部分构成：固定乙酰胆碱酯酶（AChE）的丝网印刷电极、自研便携式恒电位仪（含模数转换器和串口，可传输数据至便携计算机）以及用 Lab-Windows CVI 开发的记录与处理软件。该系统可实现低漂移、低噪声、重现性良好的高精度安培测量。检测时，AChE 抑制率与样品中神经毒性物质含量成正比；采用稳态法，先测磷酸盐缓冲液中的基线稳态电流，再加入乙酰硫代胆碱氯化物产生酶促反应得到第二稳态电流，通过比较加入样品前后酶促电流变化计算抑制率。以含农药的加标水样进行验证。该装置无需样品预浓缩，完全自主，适合现场快速筛查水中神经毒性物质。
英文摘要
A high sensitive portable biosensor system capable of determining the presence of neurotoxic agents in water has been developed. The system consists of (i) a screen-printed electrode with acetylcholinesterase (AChE) immobilized on it, (ii) a self-developed portable potentiostat with an analog to digital (A/D) converter and a serial interface for transferring data to a portable PC and (iii) an own designed software, developed with Lab-Windows CVI, used to record and process the measurements. The system has been developed to perform high precision amperometrical measurements with low drifts, low noise and a good reproducibility. In the configuration depicted, the percentage of AChE inhibition is proportional to the content of neurotoxic agents in a sample. This type of measurement is performed by the steady-state method from the first steady current (by a phosphate buffer solution) and the second steady current (by an enzymatic reaction produced by the addition of acetylthiocholine chloride to the solution). Validation was performed by analyzing spiked water samples containing pesticides. The design is specially suited for screening purposes, does not need sample preconcentration, is totally autonomous and suitable for the field detection of neurotoxic agents in water.