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
超氧阴离子（superoxide anion, O2•-）；样品基质：豆芽体内组织及 PBS 缓冲液
检测原理
该传感器为第三代电化学生物传感器。Cu,Zn-SOD 通过物理吸附固定在电沉积 ZnO 纳米盘薄膜上，ZnO 的高比表面和半导体性质促进 SOD 的 Cu 活性中心与电极之间直接电子转移，无需中介体或促进剂。当样品中的 O2•- 到达电极表面时，SOD 催化其歧化为 O2 和 H2O2，同时 SOD 的 Cu 中心发生循环氧化还原；电子经 SOD-Cu 中心直接传入 ZnO/ITO 电极，在固定电位下产生与 O2•- 浓度相关的阳极或阴极电流。由于 SOD 对 O2•- 高度特异，且可在 0 mV（vs Ag|AgCl）下阴极检测，过氧化氢、尿酸、抗坏血酸等干扰被抑制，电流随 O2•- 浓度升高而增大。
检测灵敏度
LOD: 0.2 µM（+300 mV）、0.1 µM（0 mV）；线性范围: 0.24–180 µM（+300 mV）、0.12–250 µM（0 mV）；灵敏度: 15.9 ± 0.6 nA cm-2/µM（+300 mV）、17.1 ± 0.4 nA cm-2/µM（0 mV）
效应效果
该传感器在 +300 mV 和 0 mV 下均可检测 O2•-，响应时间均为 4 s。选择性方面，+300 mV 时 15 µM AA 和 20 µM UA 相对 4 µM O2•- 的电流响应分别为 3.7% 和 5.5%；在 0 mV 下干扰被有效抑制，H2O2、O2 和 DOPAC 干扰均小于 1%。稳定性方面，阳极和阴极响应连续记录至少一个月基本恒定；五个同法制备传感器的电流响应偏差不超过 4.8%。体内耐久性测试中，豆芽连续 7 天测量电流偏差不超过 10%。与以往基于 SOD 的 O2•- 生物传感器相比，该传感器线性范围更宽、检出限更低、响应更快，并可用于豆芽体内可靠、耐用的 O2•- 检测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：ITO 镀膜玻璃（ITO-coated glass，方阻 10–20 Ω cm^-2），作为导电工作电极基底
- 纳米材料修饰层：一步电沉积 ZnO 纳米盘薄膜（ZnO nanodisks film，50–80 nm 厚、微米级尺寸，773 K 烧结），提供高比表面、生物相容和促进电子转移
- 识别元件：牛红细胞 Cu,Zn-SOD（Cu, Zn-SOD，0.2 mM PBS pH 7.2 吸附固定），特异性催化 O2•- 歧化并保留直接电子转移活性
- 信号标记物：无外源标记物，SOD 自身 Cu 中心作为可逆氧化还原中心产生电化学信号
- 电子供体/中介体：无中介体或促进剂，SOD 与 ZnO 之间直接电子转移
- 检测体系：25 mM PBS（pH 7.2），Ag|AgCl 参比电极和 Pt 对电极，CHI 660 电化学工作站
中文摘要
本文报道了一种基于铜锌超氧化物歧化酶（Cu, Zn-SOD）在氧化锌（ZnO）纳米盘表面直接电子转移的新型超氧阴离子（O2•-）生物传感器，用于豆芽体内 O2•- 的实时追踪。ZnO 纳米盘薄膜通过一步电沉积法制备，SOD 在其表面实现直接电子转移，异相电子转移速率常数为 17 ± 2 s^-1。光谱数据表明，牢固固定于纳米结构 ZnO 表面的 SOD 仍保留对 O2•- 歧化的固有酶活性。促进的直接电子转移与 SOD 的双功能酶催化活性相结合，提供了对 O2•- 进行双电化学检测的方法，具有高选择性、宽线性范围、长稳定性和良好重现性。特别是，吸附在 ZnO 纳米盘薄膜上的 SOD 可在非常正的 0 mV（vs Ag|AgCl）电位下阴极检测 O2•-，有效避免过氧化氢、尿酸、抗坏血酸和 3,4-二羟基苯乙酸等常见干扰物。该 O2•- 生物传感器优异的分析性能，结合纳米结构 ZnO 薄膜的生物相容性、易制备和易微型化等特点，为豆芽体内可靠、耐用的 O2•- 电化学检测提供了途径。
英文摘要
Here, we report on a novel superoxide anion (O2(*-)) biosensor based on direct electron transfer of copper, zinc-superoxide dismutase (Cu, Zn-SOD) at zinc oxide nanodisks surface for in vivo tracking of O2(*-) in bean sprouts. Direct electron transfer of SOD is achieved at ZnO nanodisks film prepared by a one-step electrodeposited method, with a high heterogeneous electron rate constant of 17 +/- 2 s(-1). Spectroscopic data demonstrate that SOD strongly immobilized onto the nanostructured ZnO surfaces processes its inherent activity toward O2(*-) dismutation. A combination of the facilitated direct electron transfer and the bifunctional enzymatic catalytic activities of the SOD substantially provides a dual electrochemical approach to determination of O2(*-) with high selectivity, wide linear range, long stability, and good reproducibility. In particular, SOD adsorbed on the ZnO nanodisks film is capable of sensing O2(*-) cathodically at a very positive potential, 0 mV (vs Ag|AgCl), where the common interfering species such as hydrogen peroxide, uric acid, ascorbic acid, and 3,4-dihydroxyphenylacetic acid were effectively avoided. The excellent analytical performance of the present O2(*-) biosensor, combined with the remarkable characteristics of nanostructured ZnO films, such as biocompatibility, ease of preparation, and facile to miniaturize, paves an electrochemical way for reliable and durable in vivo determination of O2(*-) in bean sprouts.