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
乙酰硫代胆碱（acetylthiocholine chloride / acetylthiocholine），样品基质为25 mM磷酸盐缓冲液（pH 7.0）
检测原理
该传感器以果蝇乙酰胆碱酯酶（Dm. AChE）为识别/催化元件，固定于氧化碳纳米纤维（CNF）表面。当样品中的乙酰硫代胆碱（acetylthiocholine）进入二氧化硅/纳米纤维包埋层时，AChE催化其水解生成硫代胆碱（thiocholine）。硫代胆碱在+300 mV工作电位下于电极表面发生氧化，产生阳极电流；CNF作为导电通道将电子直接传递至铂背电极，实现电化学换能。聚-L-赖氨酸模板二氧化硅通过静电/疏水相互作用和纳米限域稳定酶构象，减少热失活与蛋白酶降解，使信号随底物浓度稳定增加。底物浓度在0.04–0.3 mM内与电流呈线性关系，表观Michaelis常数为0.34 mM。
检测灵敏度
线性范围: 0.04–0.3 mM；初始灵敏度: 7.8 µA/mM
效应效果
该传感器在25°C、+300 mV连续极化13天后仍保留100%活性，3.5个月后保留70%；自由酶和CNF/AChE分别约25天和4天降至50%。50°C热应力下，自由酶t50为4 min，CNF固定酶约80 min，二氧化硅/纳米纤维体系达150 min。在10 mg/mL Pronase中，自由酶1 h完全失活，CNF固定酶2 h保留37%，二氧化硅保护酶12 h几乎不受影响。传感器间重现性小于10% RSD（n=3），响应时间2–4 min。表观KM为0.34 mM，自由酶和二氧化硅包埋酶为0.12 mM。作者认为该架构可开发耐受高温和蛋白酶的高稳定生物传感器，适用于生物分析纳米器件。
传感器的构成
- 换能器电极：铂背电极（Pt-backed electrode）作为工作电极基底，提供电子转移界面
- 导电纳米材料层：氧化HTE碳纳米纤维（HTE CNFs）提供高比表面积、酶固定位点和直接电子转移通道
- 识别/催化元件：果蝇乙酰胆碱酯酶（Dm. AChE）固定于CNF表面，催化乙酰硫代胆碱水解
- 模板稳定层：聚-L-赖氨酸（PLL）模板引导二氧化硅生长，通过静电/疏水相互作用包埋酶
- 仿生二氧化硅层：由TMOS水解生成的二氧化硅（SiO2）纳米结构，限域酶并抗热/蛋白酶
- 信号底物：乙酰硫代胆碱氯化物（acetylthiocholine chloride）水解生成硫代胆碱（thiocholine）
- 检测介质：25 mM磷酸盐缓冲液（pH 7.0）作为工作溶液
中文摘要
本文报道了一种基于仿生合成二氧化硅与导电活性炭纳米纤维（CNFs）协同构建的高稳定电化学生物传感器系统。聚-L-赖氨酸（PLL）模板引导二氧化硅在固定于CNF上的酶周围生长，形成纳米结构包埋环境；CNF既提供高比表面积用于酶固定，又通过直接电子转移将信号传至内部铂换能器。以果蝇乙酰胆碱酯酶（Dm. AChE）为模型催化剂，ATR-FTIR光谱表明蛋白与二氧化硅骨架存在静电/疏水相互作用，纳米限域显著降低热失活和蛋白酶降解。传感器在+300 mV下安培检测乙酰硫代胆碱，线性范围为0.04–0.3 mM，初始灵敏度为7.8 µA/mM。连续极化3.5个月后仍保留70%活性，50°C下t50达150 min，Pronase处理12 h几乎不失活，显示其适用于极端条件。
英文摘要
Biomimetically synthesized silica and conductive activated carbon nanofibers (CNFs) are used in a synergistic manner for the development of a novel electrochemical biosensor system. Poly(L-lysine) templated silica grows and encapsulates the CNF-immobilized enzyme generating a highly stabilizing nanostructured environment for the underlying protein. Concurrently, CNFs provide both the required surface area for the high-capacity enzyme immobilization required in biosensors as well as direct electron transfer to the inner platinum transducer. As a result, this silica/nanofiber superstructure is an ideal architecture for the development of electrochemical biosensor systems that can withstand exposure to extreme operational conditions, such as high temperatures or the presence of proteases. Acetylcholine esterase is used as the model catalyst and with the aid of spectroscopic data it is shown that the observed high operational stability of the biosensor is due to the direct interaction of the protein with the silica backbone, as well as due to the nanostructured enzyme confinement.