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
乙醇（ethanol, EtOH）；样品基质：0.1 M磷酸盐缓冲液（PBS, pH 8.0）
检测原理
该传感器以酶促生物电催化为核心。乙醇进入电极表面后，首先被ADH催化氧化为乙醛，同时NAD+被还原为NADH；随后乙醛被AldDH催化氧化为乙酸，并再次将NAD+还原为NADH，使总反应由两电子氧化扩展为四电子氧化。生成的NADH在玻碳电极表面发生电化学氧化，重新生成NAD+并释放电子，形成阳极电流。PDDA修饰的多壁碳纳米管通过静电作用固定酶，并构建导电网络，促进酶活性中心与电极之间的电子传递，降低NADH再氧化过电位。在固定电位0.5 V下，安培电流随乙醇浓度增加而增大，双酶级联通过增加电子转移数和快速消耗乙醛实现信号放大。
检测灵敏度
LOD: 24 μM；线性范围: 50–300 μM；灵敏度: 118.8 μA mM−1 cm−2
效应效果
双酶电极对乙醇具有较高选择性：甲醇在测试电位范围内几乎无电流响应，2-丙醇的电流响应仅为乙醇的约1/7。传感器响应时间不超过5 s，对100 μM乙醇在0.5 V下的六次测量RSD为3.1%；独立制备电极的催化电流重现性在8%以内，并在含乙醇条件下至少两周未明显衰减。4 °C储存一周和一个月后，电流响应分别保持初始值的93%和75%。与文献报道相比，其检出限24 μM低于50 μM、0.1 mM和90 μM，灵敏度118.8 μA mM−1 cm−2高于或接近已有体系，表观米氏常数0.33 mM也较低。作者认为该体系可用于安培乙醇生物传感器和乙醇生物燃料电池阳极。
传感器的构成
- 基底/工作电极：玻碳电极（GCE），作为电化学换能器与电子传递基底。
- 纳米材料修饰层：PDDA修饰多壁碳纳米管（CNTs/PDDA），提供导电网络、静电组装位点并促进酶-电极电子传递。
- 识别/生物催化元件：酒精脱氢酶（ADH），NAD+依赖，催化乙醇氧化为乙醛并生成NADH。
- 识别/生物催化元件：乙醛脱氢酶（AldDH），NAD+依赖，催化乙醛氧化为乙酸并生成NADH。
- 辅因子/电子供体：β-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），参与酶促氧化并在电极表面再氧化再生。
- 封闭/稳定层：Nafion，防止酶泄漏并稳定生物复合膜。
- 电解质介质：0.1 M磷酸盐缓冲液（PBS, pH 8.0），提供酶反应与电化学测量环境。
中文摘要
本文报道了一种用于乙醇高效生物电催化氧化的集成化、结构化和多功能生物电催化体系。该体系基于静电吸引的层-by-layer（LbL）组装策略，将带正电的多壁碳纳米管与脱氢酶进行受控组合。具体而言，作者利用LbL技术将两种脱氢酶以及聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA）包覆的多壁碳纳米管依次固定在玻碳电极表面，并分别考察了单酶（酒精脱氢酶，ADH）和双酶（ADH与乙醛脱氢酶，AldDH）体系。通过扫描电子显微镜、红外光谱和循环伏安法对多层膜进行表征。结果表明，该方法能够较好地控制酶在生物复合膜中的分布并提高其利用效率，使乙醇氧化生物电催化电流提高2倍以上，并将乙醇氧化电位负移至0.1 V（vs Ag/AgCl），过电位较单酶电极降低约200 mV。该双酶复合体系可用于制备基于NAD+依赖脱氢酶的高灵敏乙醇生物传感器，其线性范围为50–300 μM，灵敏度为118.8 μA mM−1 cm−2，检出限为24 μM。
英文摘要
The integrated, structured, and multifunctional bioelectrocatalytic system for effective oxidation of ethanol is developed here. The concept is based on the layer-by-layer (LbL) assembly through electrostatic attraction of positively charged, multiwalled carbon nanotubes and the controlled combination of dehydrogenase enzymes. More specifically, the LbL technique was employed for sequential immobilization of two dehydrogenase enzymes and poly(diallyldimethylammonium chloride)-covered multiwalled carbon nanotubes onto a glassy carbon electrode substrate. Both monoenzymatic [utilizing a single enzyme, alcohol dehydrogenase (ADH)] and bienzymatic (anchoring sequentially both ADH and aldehyde dehydrogenase) systems were tested. Multilayers were characterized using scanning electron microscopy, infrared spectroscopy, and cyclic voltammetry. The results are consistent with the view that our approach enables good control of distribution and efficient utilization of both enzymes within the biocomposite film and leads to sizable enhancement of the oxidation of ethanol through significant (more than 2-fold) increase of bioelectrocatalytic currents and by shifting the ethanol oxidation potential to 0.1 V (vs Ag/AgCl) or decreasing the overvoltage by ca. 200 mV in comparison with the monoenzymatic electrode system. This simple biocomposite (enzyme-cascade) system permits fabrication of highly sensitive ethanol biosensors based on nicotinamide adenine dinucleotide coenzyme-dependent dehydrogenases. Our ethanol biosensor exhibited a good linearity ranging from 50 to 300 μM, and it was characterized by a high sensitivity of 118.8 μA mM(-1) cm(-2) as well as a low detection limit of 24 μM.