PETN reductase–coupled alcohol-selective enzymes for dual-mode PETN amperometric sensing and power generation

安培法 材料科学 化学 灵敏度(控制系统) 发电 电极 生物传感器 色谱法 功率密度 化学工程 无机化学
作者
Nataliya Stasyuk,Michael Yuen,Daria Larowska,Oksana Zakalska,Mateusz Szala,Tomasz Ratajczyk,Olha Demkiv,Sylwester Gawinkowski,Przemyslaw Kula,Wojciech Nogala,Sam Hay,Mykhailo Gonchar
出处
期刊:Biosensors and Bioelectronics [Elsevier BV]
卷期号:307: 118749-118749
标识
DOI:10.1016/j.bios.2026.118749
摘要

Reliable on-site detection of pentaerythritol tetranitrate (PETN) remains challenging due to its low vapor pressure and limited suitability for direct electrochemical conversion. Here we report a PETN reductase (PETNR)-driven cascade strategy enabling dual-mode PETN detection and electrochemical decomposition, combining amperometric biosensing as the primary analytical mode and a proof-of-concept hybrid biofuel cell. Three enzyme bioelectrode architectures were developed on glassy carbon electrodes by covalent immobilization of PETNR with (1) NADP + -dependent alcohol dehydrogenase (ADH), (2) alcohol oxidase (AOx) with hydroquinone (HQ) mediation, and (3) AOx/horseradish peroxidase with Mendola blue as mediator to enable low-potential operation. The PETNR/ADH/GCE bioelectrode provided the highest analytical performance, exhibiting a linear response from 0.6 to 60 μM PETN, a limit of detection of 0.2 μM, and a high sensitivity of 0.16 ± 0.005 μA cm −2 ·μM −1 . The AOx-coupled designs expanded operational flexibility, while mechanistic studies revealed that HQ can promote the formation of insulating polymeric deposits during PETN conversion; vibrational and solid-state NMR analyses supported a heterogeneous aromatic-aliphatic network formation pathway. The developed biosensor was validated on post-explosion soil extracts against HPLC, yielding PETN levels around 1.6 μM with deviations ≤7% and RSD <7%. In addition, a one-compartment Zn/PETNR-ADH-HQ hybrid biofuel cell generated PETN-dependent electrical output (OCV up to 0.878 V at 50 μM PETN in model solutions) and operated directly in contaminated soil, supporting the feasibility of a proof-of-concept self-powered configuration complementary to the primary amperometric sensing mode. Overall, the proposed PETNR-centered cascade strategy provides a versatile proof-of-concept platform for PETN detection with potential for future adaptation toward portable electrochemical devices.
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