新品：研究3D打印电化学生物传感器检测饮用水神经性毒剂

传感器专家网 20250422

神经性毒剂是一类高毒性的有机磷化合物，能够抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）或丁酰胆碱酯酶（BChE）的活性，导致神经系统过度刺激，严重时可致死。历史上，神经性毒剂曾被用于恐怖袭击（如1995年东京地铁沙林毒气事件），因此实时监测饮用水中的神经性毒剂至关重要。传统的检测方法（如色谱技术）需要昂贵的设备和专业人员操作，难以实现快速、便携的现场检测。基于酶抑制的电化学生物传感器具有灵敏度高、便携性强、成本低等优点，适合现场检测。然而，传统的电化学传感器在流体动力学方面存在气泡问题，影响检测的准确性和稳定性。本文作者开发一种基于3D打印技术的便携式、在线电化学生物传感器，用于检测饮用水中的神经性毒剂模拟物（对氧磷）。结合3D打印技术、纳米材料和电化学传感技术，解决传统传感器的气泡问题，提高检测的灵敏度和选择性。

传感器设计

3D打印电化学池：使用3D打印技术制造整个电化学池和流动池，包括工作电极、参比电极和对电极。电极由导电热塑性聚氨酯（TPU）制成，而流动池由非导电的聚乳酸（PLA）制成。

纳米材料修饰：工作电极表面修饰了碳黑-普鲁士蓝纳米颗粒（CB-PBNPs），以增强电化学信号的检测能力。

酶固定化：将丁酰胆碱酯酶（BChE）通过交联法固定在修饰后的电极表面，用于检测对氧磷的抑制作用。

检测原理

酶抑制机制：对氧磷能够不可逆地抑制BChE的活性。通过监测BChE催化底物（丁酰硫胆碱，BTCh）生成的硫胆碱的氧化电流变化，可以间接检测对氧磷的浓度。

电流变化与抑制率：电流的减少与对氧磷的浓度成正比，通过计算抑制率（I% = [(i0 - i)/i0] × 100）来定量分析对氧磷的浓度。

结论

该3D打印电化学生物传感器能够灵敏地检测饮用水中的神经性毒剂模拟物（对氧磷），在标准溶液中的检测限为 0.9 ppb，在未处理的自来水中检测限为 1.6 ppb，线性范围为 2-20 ppb。

通过回收率实验验证了传感器的准确性，回收率在 99%-105% 之间，表明传感器在复杂基质中具有良好的检测能力。
传感器能够有效区分不可逆抑制剂（如对氧磷）和可逆抑制剂（如氟化物、镉、锌等），避免了干扰，确保检测结果的准确性。
在动态流动环境中（流速范围为 0-4 mL/min），传感器表现出良好的稳定性，电流响应一致。在固定流速（3 mL/min）下，传感器的检测限为 1.6 ppb，线性范围为 2-20 ppb，适合实时监测。

传感器在室温下存储 7天后，酶活性未显著下降，表明其具有良好的短期稳定性。8个独立电极的测试结果表明，传感器具有良好的重复性，相对标准偏差（RSD）为 6%。
该研究成功开发了一种基于3D打印技术的电化学生物传感器，结合纳米材料和酶抑制原理，用于在线检测饮用水中的神经性毒剂模拟物。该传感器在灵敏度、选择性、稳定性和实际应用潜力方面均表现出优异性能，为实时监测饮用水安全提供了一种创新的技术解决方案。
文章详情
题目：3D printed shamrock-like electrochemical biosensing tool based on enzymatic inhibition for online nerve agent measurement in drinking water

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来源：电化学传感前沿

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