2015年第23期
科技创新科技创新与应用
电化学葡萄糖传感器研究进展
吴爱坪
（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215000）
葡萄糖检测在医学、食品、生物技术及工业等领域有着广泛的应用，例如在医学上，常用电化学葡萄糖检测试条对病人血液、尿液或是唾液中的葡萄糖进行检测，从而指导饮食调节或是调整糖尿病用药，有助于糖尿病病情的治疗与控制；在食品方面，葡萄糖常见的碳水化合物，分析食品中（如饮料、果汁等饮品中）的葡萄糖含量也十分必要；葡萄糖含量的多少对微生物的发酵过程也有一定的影响；此外葡萄糖电化学传感器也用于检测工业废水中葡萄糖的含量。采用电化学传感器检测葡萄糖，其线性检测范围宽、灵敏度高、成本比较低，近年来，获得快速发展，已成为目前研究和应用最多的生物传感器。
1电化学酶传感器
酶传感器一般是由固定化酶和电极组合构建而成。利用酶的高度专一性及催化性，将酶作为生物传感器的敏感元件，从而实现生物分子，如糖类、醇类、有机酸化合物、氨基酸化合物的浓度检测。用于葡萄糖检测的酶常为葡萄糖氧化酶。根据检测过程中传感器的电荷传递机理不同，主要有以下几种类型的电流型葡萄糖传感器。
1.1氧气作为电子传递介体
在葡萄糖氧化酶存在的条件下，葡萄糖和氧气反应生成葡萄糖酸和双氧水，葡萄糖浓度的变化与双氧水或是氧气的浓度变化成线性关系。采用电化学方法检测过氧化氧的浓度和氧浓度可实现葡萄糖浓度的检测。张彦等采用壳聚糖固定化葡萄糖氧化酶生物传感器测定葡萄糖的含量，通过电极检测氧气消耗量，并依据反应中消耗的氧气与葡萄糖的浓度成正比的关系，建立了检测葡萄糖含量的电化学方法[1]。由于这类传感器借助于中间物质氧气或是双氧水，极易受检测环境的影响，如氧气不足时，难以对高浓度的血糖进行测定；双氧水浓度过高还容易导致酶的失活[2]。
1.2利用电子媒介体代替氧气作为电子受体
电子媒介体，是指能将酶反应过程中产生的电子从酶反应中心转移到电极表面，从而使电极产生相应电流变化的分子导电体。其克服了葡萄糖酶传感器受氧气限制的缺点。电子媒介体能够使电子在酶的氧化还原中心与工作电极表面之间进行快速、往复传递。常见的电子媒介体有有机染料、二茂铁及其衍生物、醌及其衍生物、四硫富瓦烯、富勒烯及导电有机盐等。陈国松等用电子媒介体硒杂二茂铁制备得到的葡萄糖电极[3]；莫昌莉等以蔡酚绿B为介体制备葡萄糖传感器，加入葡萄糖标准溶液前后对蔡酚绿B进行循环伏安扫描，根据蔡酚绿B氧化峰的电流值与葡萄糖浓度成正比从而实现葡萄糖的定量测定[4]。
1.3无介体传感器
其主要特点就是不经过酶与电极间电子交换，酶自身与电极之间直接进行电子转移。由于氧化还原活性中心深埋在葡萄糖氧化酶的分子内部，电子无法与电极表面以足够快速率进行转移，因此增强电子转移速度、缩短其与电极的距离是无介质传感器的研究热点。通常主要通过将酶共价键合在修饰电极表面、或将酶固定在导电聚合物修饰电极表面，达到酶催化反应的专一和高效。蔡称心等利用吸附的方法将葡萄糖氧化酶固定到CNT/GC电极表面，形成GOx-CNT/GC电极，通过葡萄糖氧化酶的直接电子转移实现葡萄糖的检测[5]，Xinhuang Kang等采用葡萄糖氧化酶-石墨烯-壳聚糖修饰电极实现葡萄糖的直接电化学检测，借助于石墨烯的高比表面积和高导电性，实现葡萄糖氧化酶在电极表面的高吸附量，并加快了葡萄糖氧化酶与电极之间的电子传递速度[6]。
2电化学非酶传感器
酶的活性容易受到外界环境影响这一缺点限制了酶传感器的应用，通过在电极上修饰对葡萄糖有催化作用的材料构建非酶葡萄糖传感器越来越引起人们的关注。常见的用于构建非酶葡萄堂传感器的材料主要有金属纳米材料如Au、Ag、Pt等、金属合金如Pt-Pb、金属纳米氧化物纳米CuO等、碳纳米管、石墨烯、聚合物膜、水滑石等。非酶葡萄糖传感器克服了酶容易失活这一缺点，表现出良好的重现性及稳定性。
纳米材料由于其尺寸效应等具备良好的催化性能，越来越广泛应用于电化学传感器的研究中。丁海云等将制备了Cu纳米粒子修饰电极，其与大粒径的Cu粒子修饰电极相比较，Cu纳米粒子修饰电极对葡萄糖的检出限更低[7]，罗立强等制备氧化铜－石墨烯纳米复合物修饰电极，测定人血清样品，其结果与生化分析仪得出的结果基本一致[8]。特殊形状的纳米结构性能更佳，王蕊通过电沉积的方法在金电极表面制备了具有三维Pt-Pb“纳米花”状纳米结构，其电活性面积和电催化活性都有极大的提高，且稳定性和选择性也很好[9]。黄新堂等制备钛基底上镍－铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极CN101598697A。
电极表面的聚合物膜可以消除干扰，提高电极选择性。俞建国等制备的修饰过氧化聚吡咯膜的微镍电极用于葡萄糖的检测，有效的减少了常见的干扰物质（如抗坏血酸、尿酸）对检测结果的干扰，提高修饰电极的稳定性[10]。
3结束语
酶传感器具有高度的专一性，非酶传感器具备良好的稳定性，两者均具备自己的优势，无论哪种传感器，其最终目的是实现葡萄糖传感器的高效、专一、长期检测。未来在酶传感器的酶的活性保持及非酶传感器的专一性等方面的研究将会是葡萄糖电化学传感器的研究热点。
参考文献
[1]张彦，等.壳聚糖固定化葡萄糖氧化酶生物传感器测定葡萄糖的含量[J].分析化学，2009，37（7）：1049-1052.
[2]Guilbault G Q Lubrano G G.An enzyme electrode for ampero－metric determination of glucose[J].Analytica ChimicaActa，1973，64（3）：439-455.
[3]陈国松，等.CN102297886A[P].2011
[4]莫昌莉，等.以蔡酚绿B为介体的葡萄糖生物传感器[J].化学传感器，2003，23（1）：26-31.
[5]蔡称心，等.碳纳米管修饰电极上葡萄糖氧化酶的直接电子转移[J].中国科学（B辑），2003，33（6）：511-518.
[6]Xinhuang Kang，等.Glucose Oxidase-graphene-chitosan modified e lectrode for direct electrochemistry and glucose sensing[J].Biosensors and Bioelectronics，2009，25：901-905.
[7]丁海云，等.纳米铜修饰玻碳电极的制备及其对葡萄糖的催化氧化[J].分析化学，2008，36（6）：839~842.
[8]罗立强，等.CN102520035A[P].2012.
[9]王蕊.Pt-Pb纳米花修饰无酶葡萄糖传感器的研究[D].天津大学材料学院，2010.
[10]俞建国，等.高选择性的镍基无酶葡萄糖微传感器的研制及应用[J].分析化学，2008，36（9）：1201-1206.
摘要：电化学传感器法检测葡萄糖是葡萄糖检测的常见方法，广泛应用于临床检测、食品生产、生物技术、发酵控制等领域，文章介绍了葡萄糖电化学传感器的常见类型及其工作原理，并对其优缺点进行了简单分析。
关键词：葡萄糖；电化学传感器；研究分析
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第12卷第6期重庆科技学院学报(自然科学版2010年12月 收稿日期:2010-07-20 基金项目:重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ101315 作者简介:刘艳(1968-,女,四川乐山人,副教授,研究方向为电化学传感器。 在生命科学研究和医学临床检验中,需对各种各样的生物大分子进行选择性测定。据统计,全世界每年要进行数亿次免疫学和遗传学病理检验。常用的检验小型化分析装置和检测方法,成为目前现代分析化学研究领域的前沿课题。 1962年,Clark 提出将生物和传感器联用的设 想,并制得一种新型分析装置“酶电极”。这为生命科学打开一扇新的大门,酶电极也成为发展最早的一类生物传感器。生物传感器结合具有分子识别作用的生物体成分(酶、微生物、动植物组织切片、抗原和抗体、核酸或生物体本身(细胞、细胞器、组织作为敏感元件与理化换能器,能产生间断的或连续的信号,信号强度与被分析物浓度成比例。 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当前,电化学生物传感器技术已在环境监测、临床检验、食品和药物分析、生化分析[2-4]等研究中有着广泛的应用。本文在此综述电化学生物传感器的工作原理、分类及几个当今研究的热点。 1 电化学生物传感器概述 1.1 电化学生物传感器的原理 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元
件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当电化学池中溶液的化学成分变化时,电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势差会随之发生变化,这样通过测定电流或电势的 变化就可以获取溶液成分或相应的化学反应的变化信息。 电化学生物传感器是在上述电化学传感器原理的基础上,以具有生物活性的物质作为识别元件,通过特定反应使被测成分消耗或产生相应化学计量数的电活性物质,从而将被测成分的浓度或活度变化转换成与其相关的电活性物质的浓度变化,并通过电极获取电流或电位信息,最后实现特定物质的检测。如图1所示,这类传感器中使用的生物活性材料包括酶、微生物、细胞、组织、抗体、抗原等等。 图1电化学生物传感器的工作原理 1.2电化学生物传感器的类别 生物传感器主要包括生物敏感膜和换能器两部 分。按照敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA 传感器等,其中酶电极由于其高效、专一、反应条件温和且具有化学放大作用而成为电化学生物传感器的研究主流。 按照检测信号的不同,电化学生物传感器可分 我国电化学生物传感器的研究进展 刘 艳 (长江师范学院,重庆408100 摘
基于ZnO/Nafion有机-无机复合膜固定双酶的葡萄糖传 感器研究 基于酶促反应的的葡萄糖传感器其最基本的原理是：利用固定化葡萄糖氧化酶膜作识别器件，将感受的葡萄糖量转换成可用输出信号。葡萄糖传感器基本由酶膜和Clark氧电极或过氧化氢电极组成。在葡萄糖氧化酶的催化作用下,葡萄糖发生氧化反应消耗氧气，生成葡萄糖酸内酯和过氧化氢。葡萄糖氧化酶被半透膜通过物理吸附的方法固定在靠近铂电极的表面，其活性依赖于其周围的氧浓度。葡萄糖与葡萄糖氧化酶反应，生成两个电子和两个质子。被氧及电子质子包围的还原态葡萄糖氧化酶经过反应后，生成过氧化氢及氧化态葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶回到最初的状态并可与更多的葡萄糖反应。葡萄糖浓度越高，消耗的氧越多，生成的过氧化氢越多。葡萄糖浓度越少，则相反。因此，氧的消耗及过氧化氢的生成都可以被铂电极所检测，并可以作为测量葡萄糖测定的方法。 但是作为检测物的过氧化氢的氧化需要在较高的电位下进行，而高电位条件下的许多电活性物质都会被氧化而干扰，影响传感器的选择性。为了解决这个问题，就需要降低传感器的操作电位。有两种办法可以解决这个问题：1、制备介体酶传感器，2、用过氧化物酶和氧化酶结合制成双电极。
HRP制成的过氧化物酶电极在测定过氧化氢时具有较高的灵敏度和选择性，并且操作电位通常比较低，在这样的电位下可以避免一些电活性物质的干扰。 另外纳米颗粒固定化酶在解决这一问题上也比较有效。纳米粒子具有特殊的壳层结构。这种结构使纳米颗粒具有特殊的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应以及由此产生的许多光学和电学性质。纳米粒子具有高比表面积、高活性、强吸附力及高催化效率等优异特性，可增加酶的吸附量和稳定性，同时还能提高酶的催化活性，使酶的电极响应灵敏度得到提高。 将纳米材料掺杂到传感器敏感膜内，可以提供生物材料适应的微环境，达到维持生物组分活性和改进生物传感器性能的目的。例如将ZnO分散在Nafion中构成的葡萄糖电极就利用了ZnO的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、吸附能力强等性能和Nafion的成膜、抗干扰能力，制成了响应快速、灵敏度高的葡萄糖传感器。由于同时固定了过氧化物酶和葡萄糖氧化酶，该传感器能够实现在较低电位下检测葡萄糖，提高选择性。 固定双酶的葡萄糖传感器的研究方向主要是：1、寻找 更便宜的用于生物传感器的纳米粒子。比如一开始的Au 、Ag 或者它们的复合粒子以及碳纳米管等。它们虽然可提高 灵敏度, 但价格昂贵, 不适合将来大规模工业化生产的目标。
葡萄糖电化学传感器的研究进展 葡萄糖电化学传感器的研究进展 李传平200941601040 （青岛大学化学化工与环境学院山东266071） 摘要葡萄糖电化学传感器是生物传感器的一种，是一门由生物、化学、医学、
电子技术等多个学科互相渗透建立起来的高新电化学技术, 它是一种将葡萄糖类酶的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置。其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测的特点, 已在生物、医学、医药、及军事医学等领域显示出广阔的应用前景, 引起了世界各国的极大关注。【1】 关键词葡萄糖电化学传感器组成特点研究进展应用研究 生物传感器是一类特殊的化学传感器, 它是以葡萄糖酶作为生物敏感基元, 对被测目标具有高度选择性的检测器。它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来, 从而得出被测物的浓度。【1】1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个葡萄糖传感器。将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。经过40多年的不断发展，当今的葡萄糖电化学传感器技术除了临床葡萄糖分析,葡萄糖检测装置也应用于生物技术和食品工业。这种广泛的应用领域大大促进了葡萄糖电化学传感器的发展和多样化。 [2] 1 葡萄糖电化学生物传感器的基本组成、工作原理、特点 葡萄糖电化学生物传感器一般有两个主要组成部分: 其一是生物分子识别元件( 感受器) , 是具有分子识别能力的葡萄糖酶类; 其二是信号转换器( 换能器) , 主要有电化学电极( 如电位、电流的测量) 、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。当待测物与分子识别元件特异性结合后, 所产生的复合物( 或光、热等) 通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等, 从而达到分析检测的目的。 与传统的分析方法相比, 生物传感器这种新的检测手段具有如下优点: ( 1) 生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件, 因此一般不需要样品的预处理, 样品中的被测组分的分离和检测同时完成, 且测定时一般不需加入其它试剂。( 2) 由于它的体积小, 可以实现连续在线监测。( 3)响应快, 样品用量少, 且由于敏感材料是固定化的,可以反复多次使用。(4) 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器, 便于推广普及。[3] 2 葡萄糖电化学生物传感器的发展 葡萄糖氧化酶(glucose oxidase，GOD)，1928年由Muller等发现后，Nekamatsu、Konelia、Yoshio等先后对其作了大量的研究并投人生产，Fiedurek和Rogalski 等对酶单位的增加做了大量的研究工作，尤其对葡萄糖氧化酶的辅基一黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)做了深入的研究，并给出了详细的说明，目前该酶在临床检测和食品工业有广泛的用途。葡萄糖传感器就是利用葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖的专性，检测各种物质中的葡萄糖含量，葡萄糖传感器 在生物和医学上有着极其重要的应用价值。1962年，Clark和Lyons提出将酶与电极结合，可以通过检测其酶催化反应所消耗的氧来测定葡萄糖的含量。1967年，Updike和Hicks首次研制出以铂(Pt)电极为基体的第一支葡萄糖氧化酶电极，通过检测酶反应的产物H：0：来测定葡萄糖含量。至此，葡萄糖氧化酶电极经过三代的发展。第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化酶层： GOD ox +葡萄糖→GoD ed +葡萄糖 (1一1)
电流型电化学传感器的研究进展 作为一种新科技革命和信息社会的重要技术基础，传感技术已成为人们现代生活的重要组成部分。近年来，电化学传感器的研究受到人们的广泛关注。电极系统组成、电极类型、电解液等重要组成部分的选择对于电流型传感器的性能影响尤为关键。文章详细总结了电流型电化学气体传感器的发展状况，阐述了电极系统、电解液类型对传感器性能的影响，并讨论了电流型传感器的未来发展和应用前景。 标签：传感器；电极；电解液 1 概述 传感器是一种能感应信息并将其转换为可测量信号的器件[1]。作为一种新技术革命和信息社会的重要基础技术，传感器的发展特别迅速，已成为人们现代生活的重要组成部分[2]。 按照感性信号不同，传感器可分为物理传感器和化学传感器，化学传感器可以详细划分为电化学式传感器、光学式传感器、热学式传感器和质量式传感器等。其中电化学传感器由于其敏感度高、能耗低、信号稳定等特点，被广泛使用[3，4]。 电化学传感器是目前发展最为成熟和应用最广的一类传感器[5]，按照其输出信号的不同可以分为电位型电化学传感器、电流型电化学传感器和电导型电化学传感器[6]。其中电位型傳感器是基于电极电势与被测组分浓度之间的关系，通过电极电势的变化来感知浓度的变化。电导型传感器是基于被测物质氧化或还原后电解质溶液电导变化实现检测的。本文主要介绍电流型传感器及其性能影响因素。 2 电流型传感器 电流型传感器是在电位恒定的条件下，使被测物发生定电势电解，基于扩散控制条件下极限电流与浓度的线性关系，从而检测被测物质组分的实时变化的一类传感器[7]。通常也被称为控制电位电解型气体传感器，这种传感器包括供气体进入的气室或薄膜、电极、离子导电性的电解质溶液几部分。电流型传感器是当前业内应用最为广泛的传感器。电流型传感器的工作过程一般包括被测气体进入传感器气室；待测物质通过反应气室到达透气膜附近，并向电极-电解液界面扩散；电活性物质在电解液中溶解；电活性物质在电极表面吸附；扩散控制下的电化学反应；产物脱附；产物离开电极表面的扩散；产物的排除等过程。 3 性能影响因素 影响传感器性能的最主要因素包括电极因素和电解液因素两部分，电极因素
收稿:2008年3月, 收修改稿:2008年8月 *深圳大学科研启动基金项目(No. 200818 资助**通讯联系人 e 2mail:yang hp@https://www.doczj.com/doc/d315987647.html,. cn 纳米电化学生物传感器 * 杨海朋 ** 陈仕国李春辉陈东成戈早川 (深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室深圳518060 摘要纳米电化学生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质, 与特异性分子识别物质如酶、抗原P 抗体、D NA 等相结合, 并以电化学信号为检测信 号的分析器件。本文简要介绍了生物传感器的分类和纳米材料在电化学生物传感器中的应用及其优势, 综述了近年来各类纳米电化学生物传感器在生物检测方面的研究进展, 包括纳米颗粒生物传感器, 纳米管、纳米棒、纳米纤维与纳米线生物传感器, 以及纳米片与纳米阵列生物传感器等。 关键词生物传感器电化学传感器纳米材料生物活性物质固定化 中图分类号:O65711; TP21213 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2009 0120210207 Nanomaterials Based Electrochemical Biosensors Y ang Haipeng **
Chen Shiguo Li Chunhui Chen Dongche ng Ge Zaochuan (Shenzhen Key Laboratory of Special Functional M aterials, College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China Abstract Biosensors w hich utilize immobilized bioac tive compounds (such as enz ymes, antigen, antibody, D N A, etc. f or the c onversion of the target analytes into electroc he mically detectable products is one of the most widely used detection methods and have become an area of wide ranging research activity. The advances in biocompatible nano technology make it possible to develop ne w biosensors. A variety of biosensors with high sensitivity and excellent reproducibility based on nano technology have been reported in recent years. In this paper, the development of the researches on nano amperometric biosensors, one of the most important branches of biosensors, is revie wed. Nanoscale architectures here involve nano 2particles, nano 2wires and nano 2rods, nano 2sheet, nano 2array, and carbon nanotube, etc. Remarkable sensitivity and stability have been achieved by coupling immobilized bioactive compounds and these nanomaterials. Key words biosensors; electroche mistry sensors; nanomaterials; bioactive compounds; immobiliz ation Contents 1 Introduction to biosensors 2 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 1 Challenges and developments of biosensors 2. 2 Introduction of nanomaterials 2. 3 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 3. 1 Nano particles based electrochemical biosensors
毕业设计(论文)开题报告 论文题目一种基于无酶的电化学葡萄糖传感器的研究选题意义： 传感器和传感器技术已经成为现代社会中的重要部分，它在我们的生活生产中无处不在，起着重要的作用。目前在各种期刊上已经发表了大量关于传感器的各种领域的论文。包括分子识别、纳米技术、聚合物化学、微流技术、分子生物学都能作为潜在的传感器应用技术。无论在现在还是在将来，传感器都拥有巨大的价值。传感器可以测量环境组成、健康状况、机器性能、食品质量等等。举例来说，汽车发动机内如果安装上氧气传感器，通过检测氧气含量，可以帮助优化发动机内的空气-燃料比，从而实现优化引擎性能，提高能效比。葡萄糖传感器如果能实现连续在线检测，糖尿病人就可以实时监测自身的血糖变化，从而调节饮食，控制血糖浓度，或者按照需要注射胰岛素。如果将传感器连上封闭控制的胰岛素注射器，还能实现胰岛素的自行注射，使糖尿病人过上普通人的生活。因此，对葡萄糖传感器的研究具有十分重要的现实意义。 与有酵葡萄糖传感器比较,无酶葡萄糖传感器具有以下优点:首先,无酶葡萄糖传感器不受糖易变性失活的影响,不需要在特殊条件下保存,比有酶葡萄糖传感器使用寿命要长;其次,制备无酶葡萄糖传感器比较简单,没有把酶修饰到电极上的技术难题;再次, 无酶型的传感器制备成本要比有酶葡萄糖传感器便宜,因为酶的制备和纯化都较为困难,这就导致酶的使用价格比较高;最后无酶葡萄糖传感器的稳定性和重现性方面都比有酶生物传感器优良,因为它不受修饰到电极上的酶的数量的影响。 虽然近年来电化学方法检测葡萄糖体现出大量的优点,然而这些新型材料在检测葡萄糖时也表现出一定的缺点,如无酶葡萄糖传感器氧化选择性并没有酶电极传感器的选择性好,当样品中存在大量的抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)时,使用镍电极检测也有相应的响应电流。而且部分无酶葡萄糖传感器成本也比较高,容易发生氯离子中毒等等,这些缺点都大大限制了它们的应用。因此,制备一种成本较低、高选择性、可快速可靠检测葡萄糖的无酶葡萄糖传感器仍是科研工作者关注的焦点。 研究背景：
—．３６６—． ．综述．ｄｏｉ：１０．３９６９６．ｉｓｓｎ．１００９－７０９０．２００９．０７．０２５葡萄糖氧化酶传感器中酶的固定与 电子转移研究进展 潘晓东１．刘枫２ 摘要：回顾了葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）传感器研究的新进展。介绍了ＧＯＤ的固定（包括物理吸附、化学偶联、使用载体等方法的研究进展）、电子的转移（使用碳纳米管、纳米颗粒等方法的研究进展），并对ＧＯＤ传感器的发展前景进行了预测。 关键词：葡萄糖氧化酶；酶传感器；酶的固定；电子的转移；碳纳米颗粒；碳纳米管 中图分类号：Ｑ８１４．２；Ｒ３１８文献标识码：Ａ文章编号：１００９—７０９０（２００９）０４—０３６６—０４ ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎｅｎｚｙｍｅｆｉｘｉｎｇａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｇｌｕｃｏｓｅｏｘｉｄａｓｅｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓＰＡＮＸｉａｏ－ｄｏｎｇ１，ＬＩＵＦｅｎ９２（Ｊ．Ｔｈｅｌｌ７ｔｈＨｏｓｐｉｔａｌｏｆＰＬＡ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１３，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｈｅＣｏｌｌｅｇｅｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１３，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ） 中国糖尿病（ｄｉａｂｅｔｅｓｍｅｌｌｉｔｕｓ．ＤＭ）的患病率为３．２１％。连续血糖测量对ＤＭ患者的治疗非常重要．可以有效控制胰岛素的用量和提前预报低血糖的发生．而在连续血糖测量系统中酶传感器是至关重要的。也是目前尚未解决的难题．现有的酶传感器的研究成果，还没有能应用到临床Ｉ－１。其中。葡萄糖氧化酶（ｇｌｕｃｏｓｅｏｘｉｄａｓｅ，ＧＯＤ）法测定血糖浓度的准确度、精密度已被公认是较好的．以这种方法为原理制成的血糖仪用血量少．检测速度快。尤其是ＤＭ患者可随身携带、自我检测血糖浓度．是我国卫生部推荐的血糖测定的常规方法。目前国内外相关报道中．基于ＧＯＤ测定葡萄糖浓度的方式主要有以下２种．光电式血糖测试法：将血样标本滴在含有ＧＯＤ试剂的试纸条上．用仪器测量试纸条的反射光．来计算血样中的血糖含量。另一种则是基于电极修饰的ＧＯＤ传感器。将ＧＯＤ及载体固定到电极上制成ＧＯＤ传感器．技术难点是如何较好同定生物活性物质，减少流失和失活１２ｌ。同时要具有较高的选择性．排除试样中其他物质对测定的干扰。它的ＧＯＤ传感器反应方程式如下： ①基质反应 Ｇｌｕｃｏｓｅ＋ＧＯＤ（ＦＡＤｌ—｝ＧｌｕｅｏｎｉｃＡｃｉｄ＋ＧＯＤ（ＦＡＤＨ２） 作者单位：１．解放军第１１７医院．浙汀杭州３１００１３：２．浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，浙汀杭州３１００１３ 收稿日期：２００８—０５—１３；修回日期：２００８—０８一１８ 作者简介：潘晓东（１９７８一）。男，浙江杭州市人。本科，工程师，主要从事医学传感器的研究设计． 审校者：常津（天津大学材料学院纳米生物技术研究所．天津３０００７２） ②酶之氧化还原中心被氧再氧化 ＧＯＤ（ＦＡＤＨ２）＋Ｍｅｄｉａｔｏｒ（ｏｘ）－－－｝ＧＯＤ（ＦＡＤ）＋Ｍｅ－ｄｉａｔｏｒ（ｒｅｄ） ③适当的环境下 Ｍｅｄｉａｔｏｒ（ｒｅｄ）＿Ｍｅｄｉａｔｏｒ（ｏｘ）＋２ｅ一 酶是ＧＯＤ传感器的核心部分．然而它们一般都溶于水。其本身也不稳定．需要固定在各种载体上，才可延长生物活性物质的活性。固定化技术的运用很大程度上决定着传感器的性能，包括选择性、灵敏度、稳定性、检测范围与使朋寿命等。随着研究的不断深入，ＧＯＤ传感器的研究取得了很大的进步．主要表现在提高同定氧化酶活力的技术、电子的转移和各种高新技术在酶传感器中的应用等方面１２ｌ。下面拟对这些方面的新进展进行综述。 １葡萄糖氧化酶的固定 经典的同定化ＧＯＤ方法主要有物理吸附、化学偶联、交联、凝胶包埋和微胶囊法等。ＧＯＤ在固定化过程中活力降低的因素主要有：①固定过程中的化学损伤；②ＧＯＤ分子不适合的空间取向使得与底物发生邻近定向效应受阻．催化作用减弱［２１。因此，ＧＯＤ或蛋白质分子空间沉积的方向控制是制备高质量固定化ＧＯＤ、ＧＯＤ标试剂和生物器件的前提。同定化ＧＯＤ空间取向方法主要有共价键法、氨基酸置换法、抗体偶联法、生物素一亲和素亲和法和疏水定向固定法等１３１。１．１物理吸附 物理吸附是被吸附的流体分子与同体表面分子 万方数据
Electrochemical Glucose Biosensors Joseph Wang* Biodesign Institute,Center for Bioelectronics and Biosensors,Departments of Chemical Engineering and Chemistry and Biochemistry, Box875801,Arizona State University,Tempe,Arizona85287-5801 Received March29,2007 Contents 1.Introduction814 2.Brief History of Electrochemical Glucose Biosensors 815 3.First-Generation Glucose Biosensors815 3.1.Electroactive Interferences815 3.2.Oxygen Dependence816 4.Second-Generation Glucose Biosensors817 4.1.Electron Transfer between GOx and Electrode Surfaces 817 https://www.doczj.com/doc/d315987647.html,e of Nonphysiological Electron Acceptors817 4.3.Wired Enzyme Electrodes817 4.4.Modification of GOx with Electron Relays818 4.5.Nanomaterial Electrical Connectors818 5.Toward Third-Generation Glucose Biosensors818 6.Solid-State Glucose Sensing Devices819 7.Home Testing of Blood Glucose819 8.Continuous Real Time in-Vivo Monitoring820 8.1.Requirements820 8.2.Subcutaneous Monitoring822 8.3.Toward Noninvasive Glucose Monitoring822 8.4.Microdialysis Sampling822 8.5.Dual-Analyte Detection823 9.Conclusions:Future Prospects and Challenges823 10.Acknowledgments824 11.References824 1.Introduction Diabetes mellitus is a worldwide public health problem. This metabolic disorder results from insulin deficiency and hyperglycemia and is reflected by blood glucose concentra-tions higher or lower than the normal range of80-120mg/ dL(4.4-6.6mM).The disease is one of the leading causes of death and disability in the world.The complications of battling diabetes are numerous,including higher risks of heart disease,kidney failure,or blindness.Such complications can be greatly reduced through stringent personal control of blood glucose.The diagnosis and management of diabetes mellitus thus requires a tight monitoring of blood glucose levels. Accordingly,millions of diabetics test their blood glucose levels daily,making glucose the most commonly tested analyte.Indeed,glucose biosensors account for about85% of the entire biosensor market.Such huge market size makes diabetes a model disease for developing new biosensing concepts.The tremendous economic prospects associated with the management of diabetes along with the challenge of providing such reliable and tight glycemic control have thus led to a considerable amount of fascinating research and innovative detection strategies.1,2Amperometric enzyme electrodes,based on glucose oxidase(GOx),have played a leading role in the move to simple easy-to-use blood sugar testing and are expected to play a similar role in the move toward continuous glucose monitoring. Since Clark and Lyons proposed in1962the initial concept of glucose enzyme electrodes,3we have witnessed tremen-dous effort directed toward the development of reliable devices for diabetes control.Different approaches have been explored in the operation of glucose enzyme electrodes.In addition to diabetes control,such devices offer great promise for other important applications,ranging from bioprocess monitoring to food analysis.The great importance of glucose has generated an enormous number of publications,the flow of which shows no sign of diminishing.Yet,in spite of the many impressive advances in the design and use of glucose biosensors,the promise of tight diabetes management has *To whom correspondence should be addressed.E-mail:joseph.wang@ https://www.doczj.com/doc/d315987647.html,.Joseph Wang has been the Director of the Center for Bioelectronics and Biosensors(Biodesign Institute)and Full Professor of Chemical Engineering and Chemistry and Biochemistry at Arizona State University(ASU)since 2004.He has also served as the Chief Editor of Electroanalysis since 1988.He obtained his higher education at the Israel Institute of Technology and was awarded his D.Sc.degree in1978.He joined New Mexico State University(NMSU)in1980.From2001?2004,he held a Regents Professorship and a Manasse Chair position at NMSU.His research interests include nanobiotechnology,bioelectronics,biosensors,and microfluidic devices.He has authored over725research papers,9books, 15patents,and25chapters.He was the recipient of the1994Heyrovsky Memorial Medal(of the Czech Republic)for his major contributions to voltammetry,the1999American Chemical Society Award for Analytical Instrumentation,the2006American Chemical Society Award for Elec-trochemistry,and the ISI‘Citation Laureate’Award for being the Most Cited Scientist in Engineering in the World(during1991?2001). 814Chem.Rev.2008,108,814?825 10.1021/cr068123a CCC:$71.00?2008American Chemical Society Published on Web12/23/2007
2015年第23期 科技创新科技创新与应用 电化学葡萄糖传感器研究进展 吴爱坪 （国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215000） 葡萄糖检测在医学、食品、生物技术及工业等领域有着广泛的应用，例如在医学上，常用电化学葡萄糖检测试条对病人血液、尿液或是唾液中的葡萄糖进行检测，从而指导饮食调节或是调整糖尿病用药，有助于糖尿病病情的治疗与控制；在食品方面，葡萄糖常见的碳水化合物，分析食品中（如饮料、果汁等饮品中）的葡萄糖含量也十分必要；葡萄糖含量的多少对微生物的发酵过程也有一定的影响；此外葡萄糖电化学传感器也用于检测工业废水中葡萄糖的含量。采用电化学传感器检测葡萄糖，其线性检测范围宽、灵敏度高、成本比较低，近年来，获得快速发展，已成为目前研究和应用最多的生物传感器。 1电化学酶传感器 酶传感器一般是由固定化酶和电极组合构建而成。利用酶的高度专一性及催化性，将酶作为生物传感器的敏感元件，从而实现生物分子，如糖类、醇类、有机酸化合物、氨基酸化合物的浓度检测。用于葡萄糖检测的酶常为葡萄糖氧化酶。根据检测过程中传感器的电荷传递机理不同，主要有以下几种类型的电流型葡萄糖传感器。 1.1氧气作为电子传递介体 在葡萄糖氧化酶存在的条件下，葡萄糖和氧气反应生成葡萄糖酸和双氧水，葡萄糖浓度的变化与双氧水或是氧气的浓度变化成线性关系。采用电化学方法检测过氧化氧的浓度和氧浓度可实现葡萄糖浓度的检测。张彦等采用壳聚糖固定化葡萄糖氧化酶生物传感器测定葡萄糖的含量，通过电极检测氧气消耗量，并依据反应中消耗的氧气与葡萄糖的浓度成正比的关系，建立了检测葡萄糖含量的电化学方法[1]。由于这类传感器借助于中间物质氧气或是双氧水，极易受检测环境的影响，如氧气不足时，难以对高浓度的血糖进行测定；双氧水浓度过高还容易导致酶的失活[2]。 1.2利用电子媒介体代替氧气作为电子受体 电子媒介体，是指能将酶反应过程中产生的电子从酶反应中心转移到电极表面，从而使电极产生相应电流变化的分子导电体。其克服了葡萄糖酶传感器受氧气限制的缺点。电子媒介体能够使电子在酶的氧化还原中心与工作电极表面之间进行快速、往复传递。常见的电子媒介体有有机染料、二茂铁及其衍生物、醌及其衍生物、四硫富瓦烯、富勒烯及导电有机盐等。陈国松等用电子媒介体硒杂二茂铁制备得到的葡萄糖电极[3]；莫昌莉等以蔡酚绿B为介体制备葡萄糖传感器，加入葡萄糖标准溶液前后对蔡酚绿B进行循环伏安扫描，根据蔡酚绿B氧化峰的电流值与葡萄糖浓度成正比从而实现葡萄糖的定量测定[4]。 1.3无介体传感器 其主要特点就是不经过酶与电极间电子交换，酶自身与电极之间直接进行电子转移。由于氧化还原活性中心深埋在葡萄糖氧化酶的分子内部，电子无法与电极表面以足够快速率进行转移，因此增强电子转移速度、缩短其与电极的距离是无介质传感器的研究热点。通常主要通过将酶共价键合在修饰电极表面、或将酶固定在导电聚合物修饰电极表面，达到酶催化反应的专一和高效。蔡称心等利用吸附的方法将葡萄糖氧化酶固定到CNT/GC电极表面，形成GOx-CNT/GC电极，通过葡萄糖氧化酶的直接电子转移实现葡萄糖的检测[5]，Xinhuang Kang等采用葡萄糖氧化酶-石墨烯-壳聚糖修饰电极实现葡萄糖的直接电化学检测，借助于石墨烯的高比表面积和高导电性，实现葡萄糖氧化酶在电极表面的高吸附量，并加快了葡萄糖氧化酶与电极之间的电子传递速度[6]。 2电化学非酶传感器 酶的活性容易受到外界环境影响这一缺点限制了酶传感器的应用，通过在电极上修饰对葡萄糖有催化作用的材料构建非酶葡萄糖传感器越来越引起人们的关注。常见的用于构建非酶葡萄堂传感器的材料主要有金属纳米材料如Au、Ag、Pt等、金属合金如Pt-Pb、金属纳米氧化物纳米CuO等、碳纳米管、石墨烯、聚合物膜、水滑石等。非酶葡萄糖传感器克服了酶容易失活这一缺点，表现出良好的重现性及稳定性。 纳米材料由于其尺寸效应等具备良好的催化性能，越来越广泛应用于电化学传感器的研究中。丁海云等将制备了Cu纳米粒子修饰电极，其与大粒径的Cu粒子修饰电极相比较，Cu纳米粒子修饰电极对葡萄糖的检出限更低[7]，罗立强等制备氧化铜－石墨烯纳米复合物修饰电极，测定人血清样品，其结果与生化分析仪得出的结果基本一致[8]。特殊形状的纳米结构性能更佳，王蕊通过电沉积的方法在金电极表面制备了具有三维Pt-Pb“纳米花”状纳米结构，其电活性面积和电催化活性都有极大的提高，且稳定性和选择性也很好[9]。黄新堂等制备钛基底上镍－铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极CN101598697A。 电极表面的聚合物膜可以消除干扰，提高电极选择性。俞建国等制备的修饰过氧化聚吡咯膜的微镍电极用于葡萄糖的检测，有效的减少了常见的干扰物质（如抗坏血酸、尿酸）对检测结果的干扰，提高修饰电极的稳定性[10]。 3结束语 酶传感器具有高度的专一性，非酶传感器具备良好的稳定性，两者均具备自己的优势，无论哪种传感器，其最终目的是实现葡萄糖传感器的高效、专一、长期检测。未来在酶传感器的酶的活性保持及非酶传感器的专一性等方面的研究将会是葡萄糖电化学传感器的研究热点。 参考文献 [1]张彦，等.壳聚糖固定化葡萄糖氧化酶生物传感器测定葡萄糖的含量[J].分析化学，2009，37（7）：1049-1052. [2]Guilbault G Q Lubrano G G.An enzyme electrode for ampero－metric determination of glucose[J].Analytica ChimicaActa，1973，64（3）：439-455. [3]陈国松，等.CN102297886A[P].2011 [4]莫昌莉，等.以蔡酚绿B为介体的葡萄糖生物传感器[J].化学传感器，2003，23（1）：26-31. [5]蔡称心，等.碳纳米管修饰电极上葡萄糖氧化酶的直接电子转移[J].中国科学（B辑），2003，33（6）：511-518. [6]Xinhuang Kang，等.Glucose Oxidase-graphene-chitosan modified e lectrode for direct electrochemistry and glucose sensing[J].Biosensors and Bioelectronics，2009，25：901-905. [7]丁海云，等.纳米铜修饰玻碳电极的制备及其对葡萄糖的催化氧化[J].分析化学，2008，36（6）：839~842. [8]罗立强，等.CN102520035A[P].2012. [9]王蕊.Pt-Pb纳米花修饰无酶葡萄糖传感器的研究[D].天津大学材料学院，2010. [10]俞建国，等.高选择性的镍基无酶葡萄糖微传感器的研制及应用[J].分析化学，2008，36（9）：1201-1206. 摘要：电化学传感器法检测葡萄糖是葡萄糖检测的常见方法，广泛应用于临床检测、食品生产、生物技术、发酵控制等领域，文章介绍了葡萄糖电化学传感器的常见类型及其工作原理，并对其优缺点进行了简单分析。 关键词：葡萄糖；电化学传感器；研究分析 63 --
武汉工程大学 “E+”国家人才培养模式创新实验区 科研训练 项目名称：化学传感器的研究进展 学生姓名：康福强 班级学号： 1306210607 指导教师：李辉 成绩评定： “E+”国家级人才培养实验区外语学院制
化学传感器的研究进展 摘要：化学传感器是当代信息产业的重要组成部分，其发展迅速，已在人类现代生活中发挥了重要的作用。本文介绍了化学传感器的基本概念，工作原理和分类，在此基础上着重总结了相关最新研究进展，并对化学传感器的发展做出了展望。 关键词:化学传感器;研究进展;电流型气体传感器;光纤化学传感器 Abstract：Chemical sensor is an important part of modern information industry, its development is rapid, been in the human has played an important role in modern life.This paper introduces the basic concepts of sensor, the working principle and classification, on this basis mainly related to the latest research progress are summarized, and the prospects are made on the development of chemical sensors. Key words：Chemical sensors;The research progress;Current type gas sensor;Fiber optic chemical sensor 1引言 在科学研究和工农业生产、环境保护等很多领域，化学量的检测与控制技术正在得到越来越广泛的应用，而化学传感器是这个过程的首要环节[1]。近儿十年化学传感器的研究和发表明，化学传感器的应用已深入人们现代生活的各个方面，环境的保持和监控，预防灾难和疾病的发生，以及不断提高人们的工农业活力和生活水平，仍然是当前乃至今后相当长时期化学传感器应用的主要领域。本文介绍了化学传感器及其最新研究进展。 2化学传感器 2.1化学传感器的概念 化学传感器(chemical sensor)通常描述成一种分析方法，这种分析方法更适合于被称作“分析化验”或者“感觉系统”，但是化学传感器通常是连续的获得数据信息，而感觉系统获得信息是不连续的[2]。在R. W . C atterall的著作[3]中将化学传感器定义为一种装置，通过某化学反应以选择性方式对特定的待分析物质产生响应从而对分析质进行定性或定量测定。此传感器用于检测及测量特定的某种或多种化学物质。 2.2化学传感器的工作原理和分类 化学传感器的组成包括具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获功能的接受器和将俘获的化学量有效转换为电信号功能的转换器。接受器将待测物的某一化学参数(常常是浓度)与传导系统连结起来。它主要具有两种功能:选择性地与待测物发生作用，反应所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。 分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何反分子识别系统与合适的传导系统相连续。化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。 化学传感器的种类繁多、原理各异，检测对象儿乎涉及各种参数。通常一种传感器可以