酶促和非酶促电化学传感器的生命周期评估：以葡萄糖氧化酶和金属纳米催化剂为例的比较研究

《Journal of Cleaner Production》：Life cycle assessment of enzymatic and non-enzymatic electrochemical sensors: A comparative study using glucose oxidase and metal nano-catalysts

比较酶促与非酶促电化学葡萄糖传感器生命周期，发现非酶促传感器因可重复使用使全球变暖潜能（GWP）降低15倍，即使不考虑重复使用，酶促传感器GWP仍高66%。研究指出酶促传感器需至少16次循环才能环境表现持平，为可持续技术选择提供框架。

　　本研究围绕酶催化和非酶催化识别元件在电化学检测中对可快速氧化生物标志物（以葡萄糖为例）的环境影响进行了深入探讨。通过采用生命周期评估（LCA）的方法，对从原材料提取到最终处置的整个过程进行了系统分析。研究结果表明，非酶催化传感器在多个环境指标上展现出更低的环境影响，尤其是在全球变暖潜力（GWP）方面，其数值仅为酶催化传感器的约1/15。即使不考虑非酶催化传感器的可重复使用性，酶催化传感器的GWP仍然高出66%。这表明，酶催化传感器在环境性能方面存在较大的改进空间。

研究进一步指出，酶的存储和使用是影响传感器整体环境影响的重要因素，占大多数中间指标环境影响的10%-50%。因此，提升酶的稳定性、减少其在使用过程中的损耗，对于降低酶催化传感器的环境负担具有重要意义。与此同时，非酶催化传感器由于基于纳米材料，具有更高的稳定性和更低的成本，因此在实际应用中展现出一定的优势。然而，它们也面临选择性较低的问题，容易受到其他化合物的干扰。因此，如何在保持良好选择性的同时，进一步优化非酶催化传感器的性能，成为未来研究的重要方向。

本研究选择葡萄糖作为案例，构建了三种不同的基材（陶瓷、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和自主研发的甘蔗基材）以及两种不同的电极材料（金和铜）的组合，形成了九种不同的应用场景。通过对这些场景的生命周期评估，研究人员能够更全面地了解酶催化和非酶催化传感器在不同条件下的环境表现。研究采用了从实验室实验中获取的原始数据，并基于这些数据进行了详细的生命周期库存（LCI）分析。为了确保分析的准确性和可比性，研究定义了720次测试作为功能单位，从而为所有场景提供了一致的比较基础。

在实际操作过程中，研究人员通过调整酶和金属的浓度，对不同设备的环境影响进行了敏感性分析。这种分析方法有助于识别哪些参数对环境影响具有决定性作用，从而为后续优化提供依据。此外，研究还引入了可重复使用性指数（RI）的概念，用于评估酶催化传感器在不同可重复使用水平下的环境影响变化，并确定其在何种可重复使用水平下可以达到与非酶催化传感器相当的环境性能。这一指标的引入为评估传感器的可持续性提供了新的视角。

在制造环节，研究发现，电极的生产以及工作电极的修饰是影响环境影响的主要因素，占所有中间指标环境影响的60%-80%。因此，优化电极材料的选择、减少制造过程中的能耗，对于降低整个传感器的环境负担至关重要。在使用过程中，研究发现，银墨水的使用以及金属（金和铜）的提取和加工是影响环境影响的关键因素。因此，如何减少这些材料的使用量、提高其回收利用率，是未来研究需要重点关注的问题。

在废弃物处理方面，研究假设所有电极均通过焚烧方式进行处置。焚烧过程虽然能够有效减少废弃物的体积，但也可能产生一定的环境污染。因此，如何在废弃物处理过程中实现更环保的方式，例如采用更清洁的焚烧技术或探索其他替代性处理方法，成为研究的重要组成部分。此外，研究还采用了截止标准（cutoff criterion）来排除那些对整体环境影响贡献较小的组件或流程，从而提高评估的效率和准确性。

研究采用了ReCiPe 2016（H）方法进行中间影响评估，这是一种广泛应用于环境评估领域的工具。通过这种方法，研究人员能够对不同场景下的环境影响进行系统比较，并识别出主要的环境影响因素。此外，研究还对不同基材和电极材料的环境影响进行了比较，发现甘蔗基材在环境表现上优于传统的陶瓷和PET基材。这一发现为未来开发更环保的传感器基材提供了新的思路。

研究还指出，尽管酶催化传感器在某些方面具有较高的灵敏度和选择性，但它们的环境影响显著高于非酶催化传感器。因此，未来研究应更多关注非酶催化传感器的性能优化，特别是在提高其选择性方面。同时，对于酶催化传感器，研究建议通过改进酶的稳定性、延长其使用寿命，从而降低其环境影响。此外，研究还提到，一些非酶催化传感器已经进入商业化阶段，例如基于铜的非酶催化传感器，这表明非酶催化技术在实际应用中具有一定的可行性。

综上所述，本研究为评估酶催化和非酶催化传感器的环境影响提供了一个系统的框架。通过比较不同材料、工艺和使用场景下的环境表现，研究人员能够更全面地了解这些传感器在实际应用中的环境影响，并为未来开发更环保的检测技术提供理论支持和实践指导。研究结果表明，非酶催化传感器在环境表现上具有明显优势，特别是在减少全球变暖潜力和提高可重复使用性方面。因此，未来研究应进一步探索非酶催化技术的优化路径，同时关注酶催化技术的可持续性改进，以实现检测技术的环境友好发展。