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
硝酸盐（nitrate, NO3−）；样品基质：植物叶片组织提取液、硝酸盐标准溶液
检测原理
该传感器以溶液相重组真核硝酸盐还原酶（NaR）为识别元件，催化 NO3− 还原为 NO2−；甲基紫精（MV）作为可溶性电子介质，在 NaR 与碳电极之间传递电子。在 −1000 mV 安培条件下，MV 还原态将电子传递给 NaR，NaR 催化硝酸盐还原，MV 再生，形成催化电流 icat；icat 随 NO3− 浓度按修正 Michaelis–Menten 方程增大。为消除溶解氧干扰，GOx 或 P2Ox 催化葡萄糖氧化消耗 O2，生成 H2O2；CAT 将 H2O2 歧化为 H2O 和 O2，净反应持续去除氧。P2Ox 氧化葡萄糖生成中性酮，不抑制 NaR，因此可在开放小体积中维持无氧并稳定读出硝酸盐信号。
检测灵敏度
原文未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
该除氧系统在开放未搅拌体系中维持无氧：2 mL 中 50 mM 葡萄糖至少 5 h，100 μL SPCE 中至少 90 min；pH 4.0–8.0 可完全去除氧化还原活性物质。GOx 因生成葡萄糖酸使 NaR 失活，2.5 mL 中 4 h 活性损失 11.3%，100 μL 中 60 min 损失 45%，需 200 mM MOPS 稳定；P2Ox 产物为中性酮，4 h 催化电流仅降 0.9%，低硝酸盐下波动 ±28 nA cm−2，小于背景 ±37 nA cm−2。8 个 SPCE 重复性 RSD 2.95%。植物提取液硝酸盐与 Griess 法（Cd 和 NaR 还原）相关，手持电位计现场模拟一致，加标样品吻合。作者认为 P2Ox 适合多种还原酶生物传感器现场应用。
传感器的构成
- 换能器电极：商用丝网印刷碳电极（SPCE）微孔阵列，碳工作电极与碳对电极、银伪参比电极，用于安培/循环伏安检测
- 反应池/溶液层：开放微孔中 100–200 μL MOPS 缓冲液（pH 7.0）与 EDTA，提供酶反应介质并维持离子强度
- 识别元件：重组真核硝酸盐还原酶（NaR, YNaR1），催化 NO3− 还原为 NO2−
- 电子介质：甲基紫精（MV），介导 NaR 与碳电极之间的电子转移
- 除氧催化酶：葡萄糖氧化酶（GOx）或吡喃糖 2-氧化酶（P2Ox），催化葡萄糖氧化消耗溶解 O2
- 除氧底物：葡萄糖（D-glucose, 50 mM）或半乳糖（galactose, 50 mM），作为氧化酶还原剂
- 过氧化氢清除酶：过氧化氢酶（CAT），将 H2O2 歧化为 H2O 和 O2，避免 H2O2 电化学干扰
- 缓冲/稳定剂：MOPS 缓冲液（50–400 mM）与 EDTA（20–40 μM），维持 pH 和酶稳定性
中文摘要
电分析程序常受溶解氧干扰，但现场分析中实现厌氧条件困难。本文设计新型酶促除氧系统，用于在开放、小体积电化学池中维持无氧溶液，并在现场条件下实施。该系统由氧化酶、氧化酶特异性底物以及用于歧化过氧化氢的过氧化氢酶组成。作者用循环伏安法分析了三种氧化酶/底物组合：葡萄糖氧化酶/葡萄糖、半乳糖氧化酶/半乳糖和吡喃糖 2-氧化酶/葡萄糖，均加入过氧化氢酶。各系统可在未搅拌开放容器中完全除氧 1 h 以上，且氧还原反应涉及的试剂、催化剂、中间体和产物均未被电化学检测到。为评估现场传感性能，作者将基于重组真核硝酸盐还原酶的模型硝酸盐生物传感器应用于商用丝网印刷电化学池，体积 200 μL。葡萄糖氧化酶和半乳糖氧化酶催化的醛糖氧化产物会使硝酸盐还原酶失活，需淬灭；通用应用中最佳催化剂为吡喃糖 2-氧化酶，因为其氧化产物不干扰生物识别元件。
英文摘要
Electroanalytical procedures are often subjected to oxygen interferences. However, achieving anaerobic conditions in field analytical chemistry is difficult. In this work, novel enzymatic systems were designed to maintain oxygen-free solutions in open, small volume electrochemical cells and implemented under field conditions. The oxygen removal system consists of an oxidase enzyme, an oxidase-specific substrate, and catalase for dismutation of hydrogen peroxide generated in the enzyme catalyzed oxygen removal reaction. Using cyclic voltammetry, three oxidase enzyme/substrate combinations with catalase were analyzed: glucose oxidase with glucose, galactose oxidase with galactose, and pyranose 2-oxidase with glucose. Each system completely removed oxygen for 1 h or more in unstirred open vessels. Reagents, catalysts, reaction intermediates, and products involved in the oxygen reduction reaction were not detected electrochemically. To evaluate the oxygen removal systems in a field sensing device, a model nitrate biosensor based on recombinant eukaryotic nitrate reductase was implemented in commercial screen-printed electrochemical cells with 200 μL volumes. The products of the aldohexose oxidation catalyzed by glucose oxidase and galactose oxidase deactivate nitrate reductase and must be quenched for biosensor applications. For general application, the optimum catalyst is pyranose 2-oxidase since the oxidation product does not interfere with the biorecognition element.