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水中氢分子的即时检测电化学生物传感器
摘要
氢气(H2)不仅是一种至关重要的能量载体,也是一种具有广泛生物学意义的治疗性气体。开发一种灵敏、便捷且可靠的方法来检测和量化水溶液中的分子氢,对于满足氢医学与健康研究日益增长的需求至关重要。在本研究中,我们展示了一种基于氢化酶的便携式电化学生物传感器,该传感器旨在检测各种水性环境中的痕量氢气。我们的电化学生物传感器能够在0 - 3 μM的线性范围内对水中的H2进行高灵敏度检测,检测限(LOD)为33 nM。整个检测过程仅需五分钟即可完成,并且该传感器在4°C下储存六个月后仍能保留80%以上的活性。这种生物传感器具有卓越的灵敏度、稳定性和耐用性,具备可扩展性、适应性和便携性。它非常适合以低检测限和高可靠性检测各种饮料和临床样本。这些进展为氢医学与健康产业的新型商业产品铺平了道路,并推动了多种基于酶的生物传感器的开发进程。
图形摘要
引言
氢气(H2)是一种可燃、无色无味的气态分子,被广泛视为一种清洁能源载体。越来越多的证据表明,即使在极低浓度下,H2 也可作为一种用途广泛的治疗剂[1 - 3]。1975年,多尔等人首次在皮肤鳞状细胞癌小鼠模型中记录了氢气的治疗潜力[4]。随后,研究表明吸入高压氢气对治疗由肝脏寄生虫感染引发的肝炎有效[5]。特别是在2007年,大泽及其合作者发现了氢气的抗氧化特性,证明其能够通过选择性中和羟基自由基(•OH)和过氧亚硝酸盐(ONOO−),保护大脑免受缺血 - 再灌注损伤和中风的侵害。从那时起,富氢水(HRW)、氢气吸入技术以及氢化设备的开发和商业化迅速兴起,旨在利用氢气治疗各种疾病、增进整体健康并助力疲劳恢复[3]。了解生物体摄入氢气或富氢水/盐水后,体液(尤其是血液)中是否存在氢气以及氢气的含量至关重要。因此,迫切需要设计一种灵敏、便捷且可靠的检测方法,特别是用于精确检测和量化水性氢气。
由于氢气具有高度易燃性,多种传感技术被用于氢气检测,一些综述对此进行了总结[6 - 9]。在氢气的生产、储存、运输和使用过程中,实时监测和检测对于确保安全操作至关重要。氢气传感器有助于高效且灵敏地检测氢气,以辅助泄漏检测。根据不同的合成材料或装置,它们可分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧气体传感器、固体电解质气体传感器、红外吸收气体传感器、电离气体传感器和谐振气体传感器[6]。与众多化学传感器相比,氢气的生物传感研究报道相对较少[10, 11]。氢化酶是一类金属酶,已被证明是H2氧化的优良催化剂,这促使了传感平台的开发[10, 12, 13]。基于[NiFe] - 氢化酶的电化学氢气生物传感技术的最新进展,为现场快速检测氢气提供了有效的解决方案。由氢化酶催化氢气氧化产生的电子,可直接[13 - 15]或间接(借助电子媒介体)[10, 16]转移至电极,产生与氢气含量相关的电流信号。直接电子转移涉及通过静电相互作用、非特异性物理吸附或化学共价偶联将酶固定在电极表面。常见的电极材料包括金、玻碳、碳丝和热解石墨。然而,在大多数情况下,修饰电极的性能优于裸电极。尽管目前生物传感器在其他传感应用中具有诸多优势,但市场上尚无氢气生物传感器。当前的生物传感器主要集中于检测气态氢气,而对溶液中痕量分子氢的传感及其相关性能指标的研究仍有待深入。
在本研究中,我们利用大肠杆菌的氢化酶 - 1(Hyd - 1)来研究水溶液中超高灵敏的分子氢检测,旨在为氢医学研究和富氢产品检测提供重要支持。Hyd - 1共价连接到羧基化多壁碳纳米管(MWCNT)修饰的碳电极表面(方案1),能够在温和条件(pH 7.0,25°C)下实现精确的氢气检测,检测限低至33 nM,优于目前大多数可用方法[14]。我们已证明,我们的生物传感器在检测各种含氢水溶液系统时,展现出灵活性和便携性。这些发现不仅提升了其在临床和生物化学等领域的应用,还推动了氢气生物传感器的产业化进程。
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