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
铀酰离子（uranyl ion, UO2^2+），样品基质为水溶液（10 mM PBS缓冲液/环境水样）
检测原理
JG-A12 S层蛋白通过磷酸基和羧基以双齿方式配位结合水溶液中的UO2^2+。铀酰结合后，带正电荷的分析物在多孔蛋白层与金电极界面增加电荷密度，扰动Stern层和外Helmholtz平面，压缩双电层并增加修饰层电容。该界面电容变化通过电化学阻抗谱（EIS）读出：在10 mM PBS、0 V vs Ag/AgCl、10 mV扰动下，低频（0.1 Hz）虚部阻抗-Z''随UO2^2+浓度升高而下降，在10^-11 M至10^-7 M区间近似线性，高浓度趋于饱和。传感器不依赖酶或纳米酶放大，主要依靠蛋白层多孔结构允许离子传输以及界面双电层电容变化实现检测。
检测灵敏度
LOD: 10^-12 M；线性范围: 10^-11 M–10^-7 M
效应效果
该传感器对UO2^2+选择性较高，Ni2+、Cs+、Cd2+、Co2+仅引起约10%–20%的-Z''下降，明显低于铀酰响应；不同铀酰盐（硝酸铀酰、乙酸铀酰、天然铀酰）响应一致，说明识别+6价铀酰。裸电极在PBS中6 h基线漂移小于2%，多孔生物偶联层较mSAM更稳定、电极寿命更长且蛋白层更致密。结合可逆，缓冲液洗涤可完全去除铀酰。检测限10^-12 M可在多批次蛋白和电极间重复，10^-15 M实验受噪声影响难以重复。作者认为该策略可用于环境/防御领域水样铀污染快速监测，并可通过其他金属污染菌SLP构建其他金属离子传感器。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：经piranha溶液清洗的SiO2包覆Si晶圆上Ti粘附层与1 mm金工作电极（P3），用于电化学阻抗换能
- 自组装连接层：4-氨基硫酚（4-ATP）在金表面形成含氨基自组装单分子层，提供连接位点
- 交联层：sulfo-SMCC与4-ATP氨基反应并暴露马来酰亚胺基团，用于共价连接蛋白
- 识别元件：Lysinibacillus sphaericus JG-A12 S层蛋白（SLP）通过半胱氨酸巯基共价固定，形成多孔蛋白识别层
- 检测介质：10 mM PBS（pH 7.0）作为支持电解质，维持离子强度并用于EIS测量
- 测量电极：Ag/AgCl参比电极与固体铂对电极，构成三电极EIS体系
中文摘要
本文报道了基于细菌S层蛋白的新型铀酰离子生物传感器的制备与性能。该传感器针对环境和水体中铀污染监测需求，采用Lysinibacillus sphaericus JG-A12 S层蛋白作为特异性识别元件，通过生物偶联方式固定于金电极表面，并利用电化学阻抗谱（EIS）实现水溶液中UO2^2+的快速检测。与传统混合自组装单分子层（mSAM）固定方式相比，多孔生物偶联蛋白层具有更高稳定性、更长电极寿命和更致密蛋白层。传感器可在数分钟内响应皮摩尔级水溶液铀酰离子，对UO2^2+具有较高选择性，Ni2+、Cs+、Cd2+和Co2+仅造成轻微干扰。通过化学修饰JG-A12蛋白的磷酸基和羧基可阻断铀酰结合，证明两类基团共同参与识别。该工作为环境和水体中铀污染物的快速电化学检测提供了新策略。
英文摘要
The fabrication of novel uranyl (UO(2)(2+)) binding protein based sensors is reported. The new biosensor responds to picomolar levels of aqueous uranyl ions within minutes using Lysinibacillus sphaericus JG-A12 S-layer protein tethered to gold electrodes. In comparison to traditional self assembled monolayer based biosensors the porous bioconjugated layer gave greater stability, longer electrode life span and a denser protein layer. Biosensors responded specifically to UO(2)(2+) ions and showed minor interference from Ni(2+), Cs(+), Cd(2+) and Co(2+). Chemical modification of JG-A12 protein phosphate and carboxyl groups prevented UO(2)(2+) binding, showing that both moieties are involved in the recognition to UO(2)(2+).