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
青霉素（penicillin，penicillin G sodium salt）；样品基质：磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）电解质溶液
检测原理
青霉素进入含青霉素酶的 ZnO 纳米棒电极界面后，被青霉素酶特异性催化水解：penicillin + H2O → penicilloate− + H+。该酶促反应使局部氢离子浓度增加、pH 下降。ZnO 纳米棒具有 pH 敏感表面和较高等电点，其表面电荷状态随界面 H+ 浓度变化而改变，从而引起工作电极与 Ag/AgCl 参比电极之间的电位差（EMF）变化。电位法直接读取该电位变化，EMF 与青霉素浓度的对数呈线性关系。酶催化使单个酶分子可连续转化多个青霉素分子，形成化学放大，提高电位响应。传感器在 100 µM–100 mM 范围内线性响应，斜率约 121 mV/decade。
检测灵敏度
线性范围: 100 µM–100 mM；灵敏度斜率: 121 mV/decade
效应效果
该传感器在 1、10 和 50 mM 青霉素溶液中，6 个独立电极的相对标准偏差小于 5%，显示良好重现性；同一电极连续三天测试具有良好重复性。响应时间小于 5 s。选择性方面，将 Na+、K+、D-葡萄糖、L-葡萄糖、抗坏血酸、尿酸、尿素、蔗糖、乳糖、甘氨酸、青霉酸和头孢菌素各 100 µM 加入 1 mM 青霉素溶液后，输出信号无明显变化。4°C 储存超过四周后仍保留约 90% 初始酶活性。温度 20–80°C 中 50°C 响应最大，但室温 23±2°C 更稳定。作者认为该传感器可用于发酵过程、医学及相关领域的青霉素快速监测。
传感器的构成
- 基底：硼硅酸盐玻璃（borosilicate glass），提供机械支撑
- 粘附层：20 nm 钛（Ti）蒸发层，增强金与玻璃结合
- 换能电极：120 nm 金（Au）蒸发层，作为导电工作电极
- 纳米材料修饰层：单晶氧化锌（ZnO）纳米棒，ACG 生长，提供高比表面和 pH 敏感界面
- 交联固定层：N-5-叠氮-2-硝基苯甲酰氧基琥珀酰亚胺（ANB-NOS），连接 ZnO 与酶
- 识别元件：青霉素酶（penicillinase，Bacillus cereus），催化青霉素水解
- 参比电极：Ag/AgCl 参比电极，构成电位测量回路
- 测量介质：磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4），维持酶活性和离子环境
中文摘要
本研究报道了一种基于有序单晶氧化锌（ZnO）纳米棒的青霉素酶生物传感器的制备与性能。ZnO 纳米棒通过低温水相化学生长（ACG）法在镀金玻璃基底上生长，随后采用物理吸附并结合 N-5-叠氮-2-硝基苯甲酰氧基琥珀酰亚胺（ANB-NOS）交联分子固定青霉素酶。电位法测量显示，传感器在 100 µM 至 100 mM 的对数浓度范围内对青霉素呈良好线性响应，灵敏度约为 121 mV/decade，响应时间小于 5 s。该传感器具有良好稳定性、选择性、重复性和重现性，对 Na+、K+、D-葡萄糖、L-葡萄糖、抗坏血酸、尿酸、尿素、蔗糖、乳糖、甘氨酸、青霉酸及头孢菌素等常见干扰物响应可忽略。结果表明，该 ZnO 纳米棒酶传感器可用于青霉素的快速、选择性检测。
英文摘要
In this study, we have successfully demonstrated the fabrication of a biosensor based on well aligned single-crystal zinc oxide (ZnO) nanorods which were grown on gold coated glass substrate using a low temperature aqueous chemical growth (ACG) method. The ZnO nanorods were immobilized with penicillinase enzyme using the physical adsorption approach in combination with N-5-azido-2-nitrobenzoyloxysuccinimide (ANB-NOS) as cross linking molecules. The potentiometric response of the sensor configuration revealed good linearity over a large logarithmic concentration range from 100 µM to 100 mM. During the investigations, the proposed sensor showed a good stability with high sensitivity of ~121 mV/decade for sensing of penicillin. A quick electrochemical response of less than 5 s with a good selectivity, repeatability, reproducibility and a negligible response to common interferents such as Na1+, K1+, d-glucose, l-glucose, ascorbic acid, uric acid, urea, sucrose, lactose, glycine, penicilloic acid and cephalosporins, was observed.