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
高反应性电子受体 S2（如 1-(N,N-二甲基氨基)-4-(4-吗啉基)苯阳离子自由基、5,10-二氢-5,10-二甲基吩嗪、吩噁嗪-10-丙酸或吩噻嗪-10-丙酸阳离子自由基）；样品基质：含还原剂 R 与低反应性电子受体 S1 的缓冲溶液/体相溶液。
检测原理
氧化酶 Eox 被还原剂 R（如葡萄糖）还原为 Ered；Ered 将电子传递给低反应性电子受体 S1（如 [Fe(CN)6]3-），生成 P1（[Fe(CN)6]4-），P1 在电极表面快速电氧化并再生 S1，产生法拉第电流。当加入高反应性电子受体 S2 后，Ered 与 S2 快速反应生成 P2；P2 与 S1 发生交叉反应，重新生成 S2 并产生 P1。由于交叉反应速率高，P1 的生成速率被化学放大，电极电流显著增加。S2 浓度越高，Ered 与 S2 的反应越快，P2 和 P1 的通量越大，稳态电流越大；在中等 S2 浓度区间灵敏度最高，高浓度时受扩散限制而趋于饱和。
检测灵敏度
可靠测量范围: s20 ≈0.02 µM–16 µM（k3 较高）；s20 ≈0.1 µM–40 µM（k3 较低）；s20 ≳250 µM 时响应不随 S2 浓度变化；灵敏度在 1 µM ≤ s20 ≤ 10 µM 最高。
效应效果
模型与实验验证显示，加入 S2 前相对偏差约14%；加入 S2 后模拟稳态电流约为实验值的2.5倍，作者归因于未纳入的还原酶与氧反应、氧化杂环化合物稳定性有限及外部扩散限制。模拟表明传感器在中等 S2 浓度（1–10 µM）灵敏度最高；可靠测量范围随 k3 变化，k3 较高时约0.02–16 µM，k3 较低时约0.1–40 µM；S2 高于约250 µM 时响应饱和。化学放大倍数 Amp 随 k3 和 S2 浓度升高而增大，在 k3 约10^4–10^6 M^-1 s^-1 区间最显著，并随 S1 浓度升高而降低。该模型可用于传感器开发前的参数优化。
传感器的构成
- 工作电极：原文未指明具体电极材料，作为法拉第电流读出的换能器
- 酶溶液层：氧化酶（实验验证中为葡萄糖氧化酶）固定于电极表面，催化还原剂 R 氧化并传递电子
- 透析膜：覆盖酶层，限制酶流失并允许小分子底物与产物扩散
- 外扩散层：按 Nernst 扩散层处理，由搅拌控制厚度，决定底物向电极的传质
- 还原剂/电子供体：R（实验验证中为葡萄糖），被酶氧化并生成还原态酶 Ered
- 低反应性电子受体：S1（如 [Fe(CN)6]3-），接受 Ered 电子生成 P1，P1 在电极氧化产生电流
- 高反应性电子受体：S2（如 1-(N,N-二甲基氨基)-4-(4-吗啉基)苯阳离子自由基等），与 Ered 快速反应生成 P2 并触发交叉反应放大
中文摘要
本文对一种可产生化学放大信号的电化学生物传感器的工作过程进行数值建模。该传感器利用协同底物转化实现化学放大，用于测定高反应性电子受体底物 S2 的浓度。模型基于非稳态反应-扩散方程，包含三个区域：电极表面被透析膜固定的酶溶液层、覆盖酶层的透析膜以及按 Nernst 扩散层处理的外扩散层。采用有限差分法求解方程组，通过改变影响酶动力学和扩散传质的模型参数，研究传感器响应、灵敏度、响应时间及化学放大倍数。重点分析协同底物转化对电流响应的影响。模拟结果定性解释并验证了实验观察到的协同底物转化对生物传感器响应的增强效应，可为此类电化学生物传感器的设计与优化提供计算工具。
英文摘要
In this paper the operation of an amperometric biosensor producing a chemically amplified signal is modelled numerically. The chemical amplification is achieved by using synergistic substrates. The model is based on non-stationary reaction-diffusion equations. The model involves three layers (compartments): a layer of enzyme solution entrapped on the electrode surface, a dialysis membrane covering the enzyme layer and an outer diffusion layer which is modelled by the Nernst approach. The equation system is solved numerically by using the finite difference technique. The biosensor response and sensitivity are investigated by altering the model parameters influencing the enzyme kinetics as well as the mass transport by diffusion. The biosensor action was analyzed with a special emphasis to the effect of the chemical amplification. The simulation results qualitatively explain and confirm the experimentally observed effect of the synergistic substrates conversion on the biosensor response.