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即用型酶基电纺纤维荧光传感器的开发及其乙醇气体检测性能

学术动态    2022-06-30 15:20

DOI: 10.1016/j.bios.2022.114453

 

对活生物体排放的挥发性有机化合物(VOCs)进行非侵入式测量是诊断人类健康状况或疾病的强大技术。生物基气体传感器适用于由复杂的VOCs混合物灵敏且有选择性地测量目标VOC。传统的生物基传感器通常制备为湿式探针,以使蛋白质(如酶)处于稳定状态,从而限制了传感器的商业化、操作环境和性能。在这项研究中,作者提出了一种基于酶的荧光电纺纤维传感器(eFES)网格作为干态气相生物传感器。通过对聚乙烯醇、乙醇脱氢酶和氧化形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸进行简单的一步静电纺丝制备了测定乙醇的eFES网格。嵌入eFES网格中的酶无需预处理即可在干燥状态下保持活性。底物特异性也得以维持,并且传感器对乙醇反应良好,具有足够的动态范围。调节eFES网格中的pH值和辅酶数量也会影响酶活性。干式生物传感器eFES网格因其卓越的性能和简单的制造工艺,为气相生物传感器开辟了新的方向,有利于其商业化。

 

图1.(A)基于ADH介导的催化反应的EtOH检测原理。(B)通过静电纺丝生产eFES网格的示意图。(C)使用eFES网格通过荧光成像测量气态EtOH的实验装置。

 

图2.(A)由PCL、PLGA和PVA制成的电纺纤维网的典型SEM图像。(B)棉花、PCL、PLGA和PVA混合物之间自发荧光的比较。插图根据颜色条将自发荧光强度映射为伪彩色。

 

图3.(○)PVA/ADH w/1M EtOH、(△)PVA/ADH w/10mM EtOH、(□)PCL/ADH w/1M EtOH和(◇)PVA w/o ADH w/1M EtOH反应溶液的吸收光谱比较。所有样品的反应时间固定为10分钟。插图显示了反应溶液与1M EtOH的PVA/ADH和PCL/ADH在紫外线(λ=365nm)照射下由智能手机相机捕获的荧光。

 

图4.通过eFES网格检测200ppm气态EtOH,持续20秒(B和D中的橙色带)。(A)荧光图像表示开始EtOH应用后-20、0、5和90秒时气态EtOH的浓度分布。(B)开始EtOH应用(或空气)后ROI平均荧光强度的时程。(○)PVA/ADH/NAD+ w/EtOH;(△)PVA/NAD+ w/EtOH;(□)PVA/ADH/NAD+ w/o乙醇(空气)。通过平均1.6至1.7分钟的荧光强度来定义输出信号ΔI。(C)开始EtOH应用后,在-15、0、5和95s处对荧光图像进行基于时域的差分分析结果。(D)开始EtOH应用(或空气)后荧光强度或ROI差异的时程。(○)PVA/ADH/NAD+ w/EtOH;(△)PVA/NAD+ w/EtOH;(□)PVA/ADH/NAD+ w/o乙醇(空气)。输出信号ΔD定义为差值的最大峰值与基线(零)之间的差异。

 

图5.(A)ADH活性与EtOH对用于通过静电纺丝固定ADH的PVA溶液的pH值的依赖性。在pH=8.0时,将ΔD的信号绘制为100%的相对值。(B)通过将气态EtOH(持续20秒,橙色带)应用于含不同NAD+量(0.1、1.0、10μmol)的PVA/ADH/NAD+网格获得的差分信号的时程。插图显示了eFES网格中的NAD+浓度与ΔD之间的关系。

 

图6.(A)应用于eFES网格的气态EtOH量与信号ΔD之间的关系。插图显示了应用(○)2.7、(△)6.8、(□)13.6和(◇)27.3nmol/s的气态EtOH的差分信号的时程。(B)使用呼出空气和皮肤气体中发现的典型VOCs测试eFES网格的选择性。N.D.定义为未检测到的信号。