组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
胆固醇（cholesterol）；样品基质：PBS 缓冲液（含 Triton X-100 分散剂），目标应用人血
检测原理
胆固醇或胆固醇酯进入电极界面后，先由胆固醇酯酶（ChEs）水解胆固醇酯释放胆固醇，再由胆固醇氧化酶（ChOx）催化胆固醇氧化生成过氧化氢（H2O2）。辣根过氧化物酶（HRP）催化 H2O2 与亚铁氰化钾/铁氰化钾氧化还原电对反应，使 [Fe(CN)6]4− 氧化为 [Fe(CN)6]3−，产生可测的氧化还原电流。垂直排列碳纳米管提供高比表面积和快速电子传递通道，聚苯胺（PANI）导电聚合物增强酶固定与电子耦合，酶级联反应和氧化还原介质共同放大信号。因此，循环伏安氧化峰电流随胆固醇浓度升高而增大，在 50–300 mg/dL 范围内近似线性。
检测灵敏度
线性范围: 50–300 mg/dL；灵敏度: 约 0.22 µA/mg·dl−1
效应效果
传感器对常见干扰物具有良好选择性：抗坏血酸（1 mg/dL）和葡萄糖（150 mg/dL）干扰很低，对乙酰氨基酚（5 mg/dL）和尿酸（7 mg/dL）干扰较明显，但将工作电位设在约 0.4 V 的胆固醇峰位可最小化干扰。不同扫描速率下重复性和稳定性误差小于 10%，整个浓度范围内小于 15%。干燥 4 °C 保存一个月后灵敏度下降 15%，主要源于酶自然降解，仍具满意寿命。与金电极相比，碳纳米管电极电流灵敏度显著提高，并高于此前报道的碳纳米管生物探针。作者认为该传感器经真实血样校准后可用于临床诊断，并有望集成到芯片实验室传感器阵列。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：SiO2/Si 基底上溅射 Cr（50 nm）和 Au（500 nm），Au 作为工作电极导电层，TiO2 掩膜定义 1 mm2 活性区
- 催化剂层：Al2O3（10 nm）和不锈钢 SS（5 nm）用于热 CVD 选择性生长垂直碳纳米管
- 纳米材料修饰层：垂直排列多壁碳纳米管（VA-CNTs/MWCNTs），提供高比表面积和快速电子传递
- 导电聚合物功能化层：聚苯胺（PANI）电聚合层，同时功能化 CNT 表面并作为酶固定基质
- 识别/催化元件：胆固醇酯酶（ChEs）、胆固醇氧化酶（ChOx）和辣根过氧化物酶（HRP）固定于 PANI 中，催化胆固醇/胆固醇酯转化为 H2O2 并催化 H2O2 还原
- 信号标记/电子供体：亚铁氰化钾/铁氰化钾（K4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6）氧化还原电对，将 H2O2 还原信号转换为可测电流
- 酶稳定剂：海藻糖（trehalose）加入酶固定液，提高酶在电聚合过程中的稳定性
中文摘要
本文报道了一种基于垂直排列碳纳米管（VA-CNT）电极和两步电聚合酶固定策略的新型胆固醇传感器。垂直排列碳纳米管通过热化学气相沉积（CVD），在重力效应和水辅助刻蚀条件下，选择性生长在镀金 SiO2/Si 基底的 1 mm2 窗口上。随后，通过苯胺与胆固醇酶的电化学共聚合，同时实现碳纳米管功能化和酶固定；再经酸刻蚀去除失活酶并电化学再充入新酶。扫描电镜显示碳纳米管表面覆盖聚合物-酶纳米颗粒。循环伏安法在胆固醇溶液中观察到约 450 mV 和 −220 mV 的氧化/还原峰。在 50–300 mg/dL 范围内，响应电流与胆固醇浓度近似线性，灵敏度约 0.22 µA/(mg·dL−1)，明显高于此前报道的碳纳米管生物探针。传感器对葡萄糖、尿酸、对乙酰氨基酚和抗坏血酸具有良好选择性，并具备满意的稳定性、重复性和使用寿命，有望用于人血正常胆固醇浓度检测。
英文摘要
In this report, a new cholesterol sensor is developed based on a vertically aligned CNT electrode with two-step electrochemical polymerized enzyme immobilization. Vertically aligned CNTs are selectively grown on a 1 mm(2) window of gold coated SiO(2)/Si substrate by thermal chemical vapor deposition (CVD) with gravity effect and water-assisted etching. CNTs are then simultaneously functionalized and enzyme immobilized by electrochemical polymerization of polyaniline and cholesterol enzymes. Subsequently, ineffective enzymes are removed and new enzymes are electrochemically recharged. Scanning electron microscopic characterization indicates polymer-enzyme nanoparticle coating on CNT surface. Cyclic voltammogram (CV) measurements in cholesterol solution show the oxidation and reduction peaks centered around 450 and -220 mV, respectively. An approximately linear relationship between the cholesterol concentration and the response current could be observed in the concentration range of 50-300 mg/dl with a sensitivity of approximately 0.22 μA/mg·dl(-1), which is considerably higher compared to previously reported CNT bioprobe. In addition, good specificity toward glucose, uric acid acetaminophen and ascorbic acid have been obtained. Moreover, sensors have satisfactory stability, repeatability and life time. Therefore, the electropolymerized CNT bioprobe is promising for cholesterol detection in normal cholesterol concentration in human blood.