组成图示
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传感器类型
光电化学生物传感器
检测对象
除草剂：diuron（莠去津）、linuron（绿麦隆）；样品基质：水样/缓冲液（实验用测量缓冲液加标，面向环境水样）
检测原理
该传感器以菠菜类囊体膜中的光系统II（PSII）为识别与换能元件。光照下，PSII反应中心P680*激发，电子经叶绿素、去镁叶绿素和QA向QB位点传递；人工电子受体DCPIP替代质体醌接受电子并被还原。还原型DCPIP在金丝网印刷电极（Au SPE）表面于+0.2 V下再氧化，产生与光合电子传递速率成正比的安培光电流。除草剂diuron和linuron竞争结合QB位点，按浓度依赖方式阻断电子传递，使剩余活性和光电流下降。LIFT将类囊体高速压入多孔金电极表面，增强物理吸附和电子转移，提高信噪比。
检测灵敏度
LOD: diuron 1.3×10−8 mol L−1（Malya法）/ 8.0×10−9 mol L−1（IUPAC）；linuron 3.1×10−9 mol L−1（Malya法）/ 4.0×10−9 mol L−1（IUPAC）；I50: diuron 1.87×10−7 mol L−1；linuron 5.65×10−8 mol L−1；RSD: diuron 2.59%；linuron 2.07%
效应效果
该传感器对光合类除草剂具有选择性，基于除草剂竞争PSII的QB位点。金SPE信噪比最高（约40.3，碳浆3.5，CNT2.9），光电流达335.2±13.4 nA，仅用28.7±4.3 ng类囊体，比先前光合传感器生物材料用量低约35倍。diuron和linuron的RSD分别为2.59%和2.07%，LOD达纳摩尔级，符合欧盟0.1 μg/L单污染物和0.5 μg/L总除草剂限值。连续流动下半衰期24 h，-20°C储存至少3个月保持性能；linuron 10−7 mol/L分析后一次缓冲液洗涤可恢复约80%活性。
传感器的构成
- 换能器电极：金丝网印刷电极（Au SPE），提供电子转移与安培读出；比较过碳浆（CP）和多壁碳纳米管（CNT）SPE
- 生物识别元件：菠菜类囊体膜（thylakoid membranes），含光系统II（PSII），作为光合识别与电子传递元件
- 固定界面：激光诱导前向转移（LIFT）形成的类囊体层，厚度约1 μm，物理吸附于多孔金电极表面并增强电子转移
- 人工电子受体：2,6-二氯酚-靛酚（DCPIP），替代质体醌接受PSII电子，还原后在电极上再氧化产生电流
- 测量缓冲液：tricine 20 mmol/L pH 7.8、蔗糖70 mmol/L、NaCl 15 mmol/L、MgCl2 5 mmol/L、DCPIP 30 μmol/L，维持光合活性
- 电子供体：水（H2O），PSII光解水提供电子
- 光源：红色LED（652 nm，130 μmol photons m−2 s−1），驱动PSII光反应
- 检测系统：Ampbiospe流动池与PG580电位计，在+0.2 V vs Ag/AgCl下安培法读取光电流
中文摘要
当前电化学生物传感器的主要限制之一，是缺乏能在生物材料与固态器件之间形成稳定且高效连接的方法。本文报道利用激光诱导前向转移（LIFT）技术，将光合生物材料固定于丝网印刷电极（SPE）上，实现从类囊体膜到电极的高效电子转移。通过优化激光打印图案，选择196个类囊体液滴阵列，在约28±4 ng类囊体质量下获得稳定光电流约335±13 nA。结果表明，LIFT过程可显著增强光合系统的能量转换效率，并用于构建高效、灵敏的光合作用型生物传感器，可在纳摩尔浓度水平检测除草剂。该工作为生物材料与固态换能器之间的稳定界面构建提供了新策略。
英文摘要
One of the limits of current electrochemical biosensors is a lack of methods providing stable and highly efficient junctions between biomaterial and solid-state devices. This paper shows how laser-induced forward transfer (LIFT) can enable efficient electron transfer from photosynthetic biomaterial immobilized on screen-printed electrodes (SPE). The ideal pattern, in terms of photocurrent signal of thylakoid droplets giving a stable response signal with a current intensity of approximately 335 ± 13 nA for a thylakoid mass of 28 ± 4 ng, was selected. It is shown that the efficiency of energy production of a photosynthetic system can be strongly enhanced by the LIFT process, as demonstrated by use of the technique to construct an efficient and sensitive photosynthesis-based biosensor for detecting herbicides at nanomolar concentrations.