神經性毒劑是一類高毒性的有機磷化合物，能夠抑制乙酰膽堿酯酶（AChE）或丁酰膽堿酯酶（BChE）的活性，導致神經系統過度刺激，嚴重時可致死。歷史上，神經性毒劑曾被用于恐怖襲擊（如1995年東京地鐵沙林毒氣事件），因此實時監測飲用水中的神經性毒劑至關重要。傳統的檢測方法（如色譜技術）需要昂貴的設備和專業人員操作，難以實現快速、便攜的現場檢測。基于酶抑制的電化學生物傳感器具有靈敏度高、便攜性強、成本低等優點，適合現場檢測。然而，傳統的電化學傳感器在流體動力學方面存在氣泡問題，影響檢測的準確性和穩定性。本文作者開發一種基于3D打印技術的便攜式、在線電化學生物傳感器，用于檢測飲用水中的神經性毒劑模擬物（對氧磷）。結合3D打印技術、納米材料和電化學傳感技術，解決傳統傳感器的氣泡問題，提高檢測的靈敏度和選擇性。

傳感器設計

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

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

酶固定化：將丁酰膽堿酯酶（BChE）通過交聯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

酶抑制機制：對氧磷能夠不可逆地抑制BChE的活性。通過監測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，通過計算抑制率（I% = [(i0 - i)/i0] × 100）來定量分析對氧磷的濃度。

結論

該3D打印電化學生物傳感器能夠靈敏地檢測飲用水中的神經性毒劑模擬物（對氧磷），在標準溶液中的檢測限為 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。

通過回收率實驗驗證了傳感器的準確性，回收率在 99%-105% 之間，表明傳感器在復雜基質中具有良好的檢測能力。

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

在動態流動環境中（流速范圍為 0-4 mL/min），傳感器表現出良好的穩定性，電流響應一致。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，適合實時監測。

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定性。8個獨立電極的測試結果表明，傳感器具有良好的重復性，相對標準偏差（RSD）為 6%。

該研究成功開發了一種基于3D打印技術的電化學生物傳感器，結合納米材料和酶抑制原理，用于在線檢測飲用水中的神經性毒劑模擬物。該傳感器在靈敏度、選擇性、穩定性和實際應用潛力方面均表現出優異性能，為實時監測飲用水安全提供了一種創新的技術解決方案。

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：電化學傳感前沿