神經(jīng)性毒劑是一類高毒性的有機(jī)磷化合物，能夠抑制乙酰膽堿酯酶（AChE）或丁酰膽堿酯酶（BChE）的活性，導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)過度刺激，嚴(yán)重時(shí)可致死。歷史上，神經(jīng)性毒劑曾被用于恐怖襲擊（如1995年東京地鐵沙林毒氣事件），因此實(shí)時(shí)監(jiān)測飲用水中的神經(jīng)性毒劑至關(guān)重要。傳統(tǒng)的檢測方法（如色譜技術(shù)）需要昂貴的設(shè)備和專業(yè)人員操作，難以實(shí)現(xiàn)快速、便攜的現(xiàn)場檢測。基于酶抑制的電化學(xué)生物傳感器具有靈敏度高、便攜性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合現(xiàn)場檢測。然而，傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器在流體動(dòng)力學(xué)方面存在氣泡問題，影響檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。本文作者開發(fā)一種基于3D打印技術(shù)的便攜式、在線電化學(xué)生物傳感器，用于檢測飲用水中的神經(jīng)性毒劑模擬物（對氧磷）。結(jié)合3D打印技術(shù)、納米材料和電化學(xué)傳感技術(shù)，解決傳統(tǒng)傳感器的氣泡問題，提高檢測的靈敏度和選擇性。

傳感器設(shè)計(jì)

3D打印電化學(xué)池：使用3D打印技術(shù)制造整個(gè)電化學(xué)池和流動(dòng)池，包括工作電極、參比電極和對電極。電極由導(dǎo)電熱塑性聚氨酯（TPU）制成，而流動(dòng)池由非導(dǎo)電的聚乳酸（PLA）制成。

納米材料修飾：工作電極表面修飾了碳黑-普魯士藍(lán)納米顆粒（CB-PBNPs），以增強(qiáng)電化學(xué)信號的檢測能力。

酶固定化：將丁酰膽堿酯酶（BChE）通過交聯(lián)法固定在修飾后的電極表面，用于檢測對氧磷的抑制作用。

檢測原理

酶抑制機(jī)制：對氧磷能夠不可逆地抑制BChE的活性。通過監(jiān)測BChE催化底物（丁酰硫膽堿，BTCh）生成的硫膽堿的氧化電流變化，可以間接檢測對氧磷的濃度。

電流變化與抑制率：電流的減少與對氧磷的濃度成正比，通過計(jì)算抑制率（I% = [(i0 - i)/i0] × 100）來定量分析對氧磷的濃度。

結(jié)論

該3D打印電化學(xué)生物傳感器能夠靈敏地檢測飲用水中的神經(jīng)性毒劑模擬物（對氧磷），在標(biāo)準(zhǔn)溶液中的檢測限為 0.9 ppb，在未處理的自來水中檢測限為 1.6 ppb，線性范圍為 2-20 ppb。

通過回收率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的準(zhǔn)確性，回收率在 99%-105% 之間，表明傳感器在復(fù)雜基質(zhì)中具有良好的檢測能力。

傳感器能夠有效區(qū)分不可逆抑制劑（如對氧磷）和可逆抑制劑（如氟化物、鎘、鋅等），避免了干擾，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在動(dòng)態(tài)流動(dòng)環(huán)境中（流速范圍為 0-4 mL/min），傳感器表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，電流響應(yīng)一致。在固定流速（3 mL/min）下，傳感器的檢測限為 1.6 ppb，線性范圍為 2-20 ppb，適合實(shí)時(shí)監(jiān)測。

傳感器在室溫下存儲 7天 后，酶活性未顯著下降，表明其具有良好的短期穩(wěn)定性。8個(gè)獨(dú)立電極的測試結(jié)果表明，傳感器具有良好的重復(fù)性，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為 6%。

該研究成功開發(fā)了一種基于3D打印技術(shù)的電化學(xué)生物傳感器，結(jié)合納米材料和酶抑制原理，用于在線檢測飲用水中的神經(jīng)性毒劑模擬物。該傳感器在靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用潛力方面均表現(xiàn)出優(yōu)異性能，為實(shí)時(shí)監(jiān)測飲用水安全提供了一種創(chuàng)新的技術(shù)解決方案。

文章詳情

題目：3D printed shamrock-like electrochemical biosensing tool based on enzymaticinhibition for online nerve agent measurement in drinking water

來源：電化學(xué)傳感前沿