组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
果糖（fructose，水果/蜂蜜）、乙醇（ethanol，缓冲液/燃料电池燃料）、乳酸（lactate，缓冲液/碳纸电极）、葡萄糖酸（gluconate，缓冲液）、甘油（glycerol，燃料电池燃料）、1,3-丙二醇（1,3-propanediol，生物过程样品）
检测原理
该综述所述传感/发电机制以膜结合脱氢酶的直接电子转移（DET）或直接生物电催化为核心。底物（乙醇、果糖、乳酸、葡萄糖酸等）进入酶活性位点后被 PQQ 或 FAD 辅因子催化氧化，电子经酶内血红素 c 位点按氧化还原电位梯度隧穿至电极表面。碳基电极、聚吡咯、Nafion、SAM 或碳纳米材料通过改善酶取向、增加负载和稳定界面，使电子耦合效率提高；无外源介体时，酶自身血红素/PQQ 充当内置电子中继，电流随底物浓度升高而增大。全细胞体系则依靠 Os 氧化还原水凝胶或醌/铁氧烯介体跨越细胞壁传递电子。碳纳米结构（KB、MWCNT、AuNP）通过高比表面积和导电网络放大电流密度。
检测灵敏度
灵敏度斜率: FDH/CPE 1.85 μA mM−1 cm−2；FDH/Pt-PP 0.09 μA mM−1 cm−2；FDH/Au nano/GCE 2.1 μA mM−1 cm−2；FDH/Pt 48 nA mM−1 cm−2；FDH/Pt-PP 200–400 nA mM−1 cm−2；FDH/Pt-PP(厚膜) 1000 nA mM−1 cm−2；ADH/Au-Pt 2.9 μA mM−1 cm−2；ADH/SCE 179 μA mM−1 cm−2
效应效果
无介体 DET 抗干扰较好。碳基酶电极通常比金属表面更稳定且电流更高。FDH/碳糊传感器可用于水果和蜂蜜中果糖检测，响应时间约 50 s；FDH/PP 响应时间 3–5 s，MWCNT/Pt 3 d 基本无下降。KB 修饰电极使 FDH 电流密度达 4000 μA cm−2，优化后 7000–10000 μA cm−2；AuNP/碳纸达 14.3 mA cm−2。ADH/碳黑丝网印刷电极 12 h 信号损失 24%，6 d 稳定；LDH/Nafion 碳纸 45 d 不变。FDH 生物燃料电池 0.79 V、3.9 W m−2，搅拌后 8.5 W m−2。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：碳纸（CP）、碳糊电极（CPE）、玻璃碳电极（GCE）、铂（Pt）、金（Au）、ITO、丝网印刷碳电极（SCE）及 Ketjen black（KB）修饰碳电极，提供电子转导与酶固定表面。
- 导电/纳米修饰层：聚吡咯（PP）电聚合膜、疏水化 Nafion 膜、多壁碳纳米管（MWCNT）森林、金纳米颗粒（AuNP）、碳黑/碳纳米结构，用于固定酶、改善取向、导电性和稳定性。
- 识别/催化元件：Gluconobacter 膜结合脱氢酶，如果糖脱氢酶（FDH）、乙醇脱氢酶（ADH）、葡萄糖酸脱氢酶（GaDH）、乳酸脱氢酶（LDH），含 PQQ/FAD 与血红素 c，催化底物氧化。
- 电子中继/信号元件：酶内血红素 c（heme c）和 PQQ/FAD 辅因子作为内置电子中继，实现无介体直接电子转移；全细胞体系可用 Os 氧化还原水凝胶或醌/铁氧烯介体。
- 界面取向/稳定层：自组装单分子层（SAM，如半胱胺、巯基乙醇 MET 修饰）、PP 膜或 Nafion 膜，调控酶吸附取向并提高操作稳定性。
- 电子供体/燃料：乙醇（ethanol）、果糖（fructose）、乳酸（lactate）、葡萄糖酸（gluconate）、甘油（glycerol）、1,3-丙二醇（1,3-PD）等，被酶氧化后提供电子。
中文摘要
近二十年来，从 Gluconobacter 属中分离的膜结合脱氢酶（主要是 PQQ 依赖型乙醇脱氢酶和果糖脱氢酶）已被用于制备多种生物电子界面，但其电化学行为仍难以正确解释。本综述总结了膜结合脱氢酶氧化还原性质的最新发现，以及利用这些酶实现直接电子转移（DET）或直接生物电催化的系统研究。综述旨在归纳这些酶在不同界面上通过 DET 或直接生物电催化实现电子耦合的可能路径，并简要介绍与界面电化学相关的 Gluconobacter 代谢和呼吸链。文中还简述了基于 Gluconobacter 膜结合脱氢酶 DET 或直接生物电催化的生物传感器装置，重点讨论酶促生物燃料电池的实际制备与应用，并讨论与微生物燃料电池构建相关的 Gluconobacter oxydans 界面电化学。
英文摘要
Although membrane-bound dehydrogenases isolated from Gluconobacter sp. (mainly PQQ-dependent alcohol and fructose dehydrogenase) have been used for preparing diverse forms of bioelectronic interfaces for almost 2 decades, it is not an easy task to interpret an electrochemical behaviour correctly. Recent discoveries regarding redox properties of membrane-bound dehydrogenases along with extensive investigations of direct electron transfer (DET) or direct bioelectrocatalysis with these enzymes are summarized in this review. The main aim of this review is to draw general conclusions about possible electronic coupling paths of these enzymes on various interfaces via direct electron transfer or direct bioelectrocatalysis. A short overview of the metabolism and respiration chain in Gluconobacter relevant to interfacial electrochemistry is given. Biosensor devices based on DET or direct bioelectrocatalysis using membrane-bound dehydrogenases from Gluconobacter sp. are described briefly with the emphasis given on practical applications of preparing enzymatic biofuel cells. Moreover, interfacial electrochemistry of Gluconobacter oxydans related to the construction of microbial biofuel cells is also discussed.