组成图示
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传感器类型
微流控生物传感器
检测对象
莠去津（atrazine）、莠灭净（diuron）；样品基质：水样/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）为识别元件。除草剂（如莠去津、莠灭净）结合PSII反应中心D1蛋白，取代质体醌QB，阻断光驱动电子传递，使类囊体膜在645 nm LED光照下产生的过氧化氢（H2O2）减少。含鲁米诺的水样流经PSII区后，光生H2O2随流道进入HRP区；HRP催化鲁米诺与H2O2发生化学发光反应，发射约431 nm光，由PMT或CCD检测。发光强度与H2O2浓度正相关，因此随除草剂浓度升高而降低。装置将H2O2产生与检测集成于单一微流控流动分析中，无需电极，依靠酶催化化学发光实现信号放大。
检测灵敏度
LOD: 3.0E−08（atrazine，原文未注明单位）；LOD: 1.0E−08（diuron，原文未注明单位）；H2O2 LOD: 1.34E−06（批量法，原文未注明单位）；H2O2 LOD: 100 μM（微流控通道B）
效应效果
该传感器对莠去津和莠灭净均呈浓度依赖性抑制，DCPIP、氢醌和过氧化氢酶可消除或改变信号，说明信号来自PSII光反应产生的H2O2；H2O2加标呈加性响应。固定化类囊体膜Fv/Fm初始为0.7，25 ℃暗存半衰期53 h，三次实验相对标准偏差6.67；固定化量约0.3 μg叶绿素/mg微球。HRP固定化后活性稳定，游离HRP保存1周活性大幅下降，而固定化HRP基本不变；优化EDC洗涤后1 mg微球HRP活性达1.2 U。微流控通道B的H2O2 LOD为100 μM，优于通道A。真实水基质不抑制PSII，甚至使放氧活性提高5–21%。作者认为该装置紧凑便携，可用于环境水样除草剂初筛。
传感器的构成
- 微流控通道基底：机加工Perspex（聚甲基丙烯酸甲酯）块夹持激光切割弹性体/橡胶间隔片，形成流道，承载样品流动与光学检测。
- 磁捕获支撑层：永久磁铁与磁性微球，在通道内形成两个活性区，分别磁固定PSII微球和HRP微球，并可移除微球再生。
- 识别元件微球：氨基聚苯乙烯磁性微球（5% w/v，3.35 μm），经10%戊二醛交联固定菠菜类囊体膜（含PSII），作为光合识别元件。
- 识别元件封闭剂：BSA（牛血清白蛋白）淬灭过量戊二醛，PBS洗涤，稳定类囊体膜并减少非特异结合。
- 信号酶微球：羧基末端聚苯乙烯/氧化铁磁性微球（MagaBeads-Carboxyl，10% w/v，3.2 μm），经EDC活化固定HRP，催化鲁米诺发光。
- 信号底物：鲁米诺（luminol）与光生H2O2，在HRP催化下发生化学发光，发射约431 nm光。
- 光学激励与读出：645 nm高亮度LED照射PSII区；光纤/PMT或CCD光度计检测431 nm化学发光。
中文摘要
除草剂对人类、动物健康和生态环境具有高度毒性，农业中大量使用导致土壤和水体污染。在光照下，除草剂可抑制光系统II（PSII）电子传递。本文报道了一种基于PSII的光学微流控传感器，用于除草剂检测。该装置将菠菜类囊体膜和辣根过氧化物酶（HRP）分别固定在磁性微球上，并通过磁场捕获在微流控通道的两个活性区。含鲁米诺的水样流经PSII区时，645 nm LED激发类囊体膜产生过氧化氢（H2O2）；除草剂结合PSII的D1蛋白并取代质体醌QB，抑制电子传递，使H2O2生成减少。随后H2O2进入HRP区，在HRP催化下与鲁米诺发生化学发光反应，发射约431 nm光，由PMT或CCD检测。该传感器将H2O2产生与检测集成于单一流动分析中，结构紧凑、便于携带，可用于环境水样中除草剂的快速筛查。
英文摘要
Herbicides are highly toxic for both human and animal health. The increased application of herbicides in agriculture during the last decades has resulted in the contamination of both soil and water. Herbicides, under illumination, can inhibit photosystem II electron transfer. Photosynthetic membranes isolated from higher plants and photosynthetic micro-organisms, immobilized and stabilized, can serve as a biorecognition element for a biosensor. The inhibition of photosystem II causes a reduced photoinduced production of hydrogen peroxide, which can be measured by a chemiluminescence reaction with luminol and the enzyme horseradish peroxidase. In the present work, a compact and portable sensing device that combines the production and detection of hydrogen peroxide in a single flow assay is proposed for herbicide detection.