组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
生化需氧量（BOD，Biochemical Oxygen Demand）；样品基质：葡萄糖-谷氨酸（GGA）标准液、OECD合成废水、尿素溶液、真实废水
检测原理
该传感器以全细胞大肠杆菌为生物催化元件，以中性红（NR）为人工电子受体。样品中的可生物降解有机物（BOD）进入电极表面后，被 E. coli 氧化代谢；细胞内代谢电子经电子载体传递给 NR，使 NR 还原。在玻碳电极上施加 -0.3 V，还原态 NR/PNR 在电极表面被氧化，产生计时电流。电流大小与可被微生物代谢的有机物浓度（BOD）相关。TiO2 纳米管阵列（TNTs）在 UV-vis 光下产生羟基自由基，将大分子有机物预降解为小分子，提高微生物同化速率，从而增强电流响应。NR 与细胞共固定或包覆于细胞表面，可改善电子传输，提高信号。
检测灵敏度
线性范围: 50–1000 mg O/L
效应效果
与 (gPVP/E. coli)/PNR/GCE 相比，(gPVP/E. coli/NR)p/GCE 信号增强约 3 倍，四次重复 RSD 为 2.8%，50–1000 mg O/L 内线性。30–35 ℃ 响应较高，低于 25 ℃ 或高于 40 ℃ 下降。TNTs 预处理 15 和 60 min 后，GGA 信号增强 6% 和 39%，OECD 增强 88% 和 91%，真实废水增强 12% 和 40%；尿素下降 66% 和 21%，说明小分子易被过度降解。作者认为该方法可作快速 BOD 生物传感器替代方案。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：玻碳电极（GCE），经氧化铝抛光和循环伏安活化，提供电子转导界面
- 介体/电子受体层：中性红（NR）或电聚合中性红（PNR），作为人工电子受体接受微生物代谢电子并发生氧化还原
- 生物固定基质：聚乙烯醇接枝4-乙烯基吡啶（gPVP，PVA-g-PVP），成膜并固定大肠杆菌与中性红
- 识别/生物催化元件：大肠杆菌（E. coli）全细胞，氧化降解有机底物并将代谢电子传递给中性红
- 预处理/信号增强元件：TiO2纳米管阵列（TNTs），在UV-vis下光催化降解大分子有机物，提高微生物同化速率
- 缓冲介质：磷酸盐缓冲液（PBS，0.06 M Na2HPO4/0.04 M K2HPO4，pH 7），维持微生物活性与电极反应环境
- 信号读出：电化学分析仪（CHI 660），在-0.3 V下通过计时电流或循环伏安读取NR/PNR氧化还原电流
中文摘要
本文提出一种用于生化需氧量（BOD）快速检测的电化学方法，将大肠杆菌（E. coli）作为生物催化剂、中性红（NR）作为人工电子受体，共固定于玻碳电极（GCE）表面。作者比较了两种电极修饰策略：一种先将 NR 电聚合为聚中性红（PNR）膜，再将 E. coli 与聚乙烯醇接枝4-乙烯基吡啶（gPVP）混合覆盖于 PNR 膜上，得到 (gPVP/E. coli)/PNR/GCE；另一种将 NR、E. coli 与 gPVP 共同混合修饰 GCE，干燥后经循环伏安处理，得到 (gPVP/E. coli/NR)p/GCE。电化学评价表明，后者的响应更强，可能因为 NR 沉积在细胞表面，改善了电子传输和细胞膜通透性。在此基础上，采用 TiO2 纳米管阵列（TNTs）对样品进行光催化预处理，并评价了葡萄糖-谷氨酸（GGA）、OECD 合成废水、尿素和真实废水。结果表明，该方法有望用于快速 BOD 生物传感器。
英文摘要
In this paper, we proposed a method by using co-immobilized Escherichia coli (E. coli) as a biocatalyst and neutral red (NR) as an artificial electronic acceptor to modify glassy carbon electrode (GCE) for biochemical oxygen demand (BOD) measurement. Two different modification approaches of GCE were utilized and compared. In one approach, NR was electropolymerized on the surface of GCE, and E. coli cells were mixed with grafting copolymer PVA-g-PVP (briefly gPVP) and covered on NR polymer film to obtain a (gPVP/E. coli)/PNR/GCE. In the second approach, both NR and E. coli cells were mixed with the copolymer gPVP and modified GCE, after drying, which was electrochemically treated similar as above for obtaining a (gPVP/E. coli/NR)p/GCE. Based on the electrochemical evaluation, the performance of the latter was better, which may be caused by that the NR deposited on the surface of E. coli resulting in a good electron transport and permeability of cells membrane. To develop the results obtained at (gPVP/E. coli/NR)p/GCE further, the pretreatment by TiO(2) nanotubes arrays (TNTs) was employed, and different effects on samples of GGA, OECD, urea and real wastewater were evaluated. These results suggest that the present method holds a potential application for rapid BOD biosensor.