电流型固定化酶生物传感器的研究进展

38酶电极中酶固定化方法研究进展孔维琴 陈志伟（山东理工大学 化学工程学院，中国 淄博 255049）摘要 酶电极是最常用也是最早开发的生物传感器，而固定化酶作为酶电极的关键也得到了广泛的关注。

本文介绍了酶电极及固定化酶的特点，重点讨论了制作酶电极的关键技术即酶固定化的方法，包括吸附法、包埋法、共价键合法和交联法等传统方法和静电纺丝法、纳米技术处理等一些新型的固定化方法，并进一步探讨了各种固定化方法的优缺点。

关键词 酶电极，固定化酶，研究进展作者简介：孔维琴（1986-），女，硕士研究生，应用化学。

E-mail:kongweiqin1986@通信作者：陈志伟（1972-），男，教授，主要从事生物化学及分析测试方面的研究。

E-mail:12chen@引言酶电极是指将活性物质酶固定在电极表面，探测电流型或电位型催化反应信号。

酶电极是最常用也是最早开发的生物传感器。

早在1962年Clark [1]等人将酶片和电极结合起来，产生了酶电极的雏形，并在1967年由Updike和HickS [2]用聚丙烯酰胺凝胶固定葡萄糖氧化酶（GOD）成膜和氧电极组装在一起，制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极生物传感器。

因为酶与电化学电极的匹配很容易，所以对酶电极的研究最成熟。

到目前为止，酶电极被广泛应用于食品[3]、医药、化学分析、环境监测甚至军事等领域，中国专利CN 1452717A（2003）还公开了利用酶电极测定三磷酸腺苷（ATP）浓度的方法[4]。

酶是一类具有催化功能的活性物质，和化学催化剂相比，具有反应速度快、选择性好、反应条件温和、底物专一性强、可在水溶液和中性pH下操作等优点，同时酶本身可以被微生物降解，符合绿色化学的要求。

但是游离酶也有对外界因素非常敏感容易失活、不易分离和纯化等问题。

为了克服这些缺点，酶固定化技术应运而生。

酶的固定化是用一定的材料将活性酶束缚或限制于一定的区域内，但仍能进行酶所特有的催化反应，并可回收及重复使用的一种新技术。

固定化酶的研究进展和应用前景固定化酶是指将酶固定在固体载体上，并保持其生物活性的一种技术。

它有许多优点，如可重复使用、稳定性高、易于回收等，因此成为了生物技术领域一种非常有前途的研究方向。

一、固定化酶的发展历程固定化酶的概念最早可以追溯到20世纪50年代。

第一种固定化酶的载体是硅胶，随后又发展了许多种载体，如凝胶、海藻酸盐、纳米材料、磁性颗粒等。

随着技术的进步，目前已有各种方法来制备纳米载体和比之前更优异的凝胶载体。

同时，各种固定化酶的制备方法也在不断改进，包括共价结合、吸附、交联、包埋等。

二、固定化酶的应用固定化酶的应用范围非常广泛，包括生物催化、食品工业、医药工业、制药工业等。

其中，固定化酶在食品工业中的应用最为广泛。

如生产葡萄糖、果汁、醋等。

固定化酶也可以用于制药工业中的药品合成。

此外，还可以在纳米技术、环境保护、制垃圾处理等领域中找到应用。

三、固定化酶的优势1. 重复使用：固定化酶具有可重复使用的优势，节省了时间和成本，具有广泛应用前景。

2. 稳定性：与游离酶相比，固定化酶具有较高的稳定性和耐受性，并可在极端环境中保持其生物活性。

3. 易于回收：固定化酶可以设计成可在固定化酶中回收，增加了其经济价值。

四、固定化酶仍需解决的问题尽管固定化酶在许多领域中具有潜力，但仍存在一些问题。

1. 优化载体：优化载体并不是一件容易的事情，其选择需要结合具体的酶种和应用需求，存在一定的技术难度。

2. 降低成本：目前固定化酶的生产成本仍比较高，限制了其在一些领域中的推广。

3. 稳定性问题：目前许多固定化酶在长时间的储存或使用过程中还会出现酶失活的情况，这需要更好的研究与解决。

综合而言，固定化酶的广泛应用前景与其固有的优势是显而易见的。

在未来，我们需要持续关注固定化酶领域的研究与发展，加快技术优化和成本降低，更好地服务于人类的需求。

固定化酶技术及应用的研究进展一、固定化酶的制备方法研究进展固定化酶的制备方法包括物理吸附、共价键结和交联结构等。

近年来，研究者们发展了一系列新型的固定化酶制备方法，如钙凝胶法、包埋法、凝胶微球法和溶胶凝胶法等。

这些新方法不仅提高了固定化酶的稳定性和活性，还大幅度降低了制备成本，提高了酶的重复使用性。

固定化酶在生物工程领域的应用主要集中在酶催化反应、生物催化剂制备以及生物催化剂的应用等方面。

例如，固定化酶可以用于生物反应器中进行酶催化反应，实现对废水处理、医药合成和食品工业等的高效处理。

此外，固定化酶还可以用于制备各类生物催化剂，如药物微胶囊和生物传感器，用于治疗疾病和检测生物分子。

固定化酶在食品工业中的应用主要包括生产酶制剂、降解保健食品、生产高价值添加物以及改善食品品质等方面。

固定化酶可以用于生产各类酶制剂，如发酵酶、复合酶和水解酶等，以加速酶催化反应。

此外，固定化酶还可以用于生产特殊功能食品，如降解保健食品、胶原蛋白等，以满足不同人群的需求。

固定化酶在医药学领域的应用主要包括药物制剂、生物芯片、药物代谢和生物传感器等方面。

例如，固定化酶可以用于制备缓控释药物制剂，以提高药物的疗效和降低副作用。

此外，固定化酶还可以用于制备生物芯片，用于分析疾病标志物和药物代谢产物等。

固定化酶在环境保护领域的应用主要包括废水处理、大气污染控制和土壤修复等方面。

固定化酶可以用于废水处理中，加速有害物质的降解和去除。

此外，固定化酶还可以用于大气污染控制，将有害气体转化为无害物质。

固定化酶还可以用于土壤修复，加速土壤中有毒物质的降解和去除。

综上所述，固定化酶技术在多个研究领域取得了重要的进展。

通过不断创新和改进固定化酶制备方法，研究者们加强了固定化酶的稳定性和重复使用性，提高了酶的应用效果和利用价值。

固定化酶技术的进一步发展，将为生物工程、食品工业、医药学和环境保护等领域带来更多创新和突破。

生物传感器的研究进展综述一、本文概述生物传感器作为一种集成了生物识别元件和信号转换器的设备，其在生物、医学、环境、食品安全等领域的应用日益广泛。

本文旨在综述生物传感器的研究进展，包括其基本原理、分类、应用领域以及存在的挑战和未来的发展趋势。

我们将重点关注近年来在生物传感器领域的创新技术和研究成果，以期为读者提供一个全面而深入的理解。

我们将简要介绍生物传感器的基本原理，包括其工作机制和主要构成部分。

接着，我们将根据生物识别元件的不同，对生物传感器进行分类，并详细讨论各类生物传感器的特点和应用领域。

在此基础上，我们将重点分析近年来在生物传感器研究方面的主要进展，包括新材料、新技术和新方法的开发和应用。

我们还将探讨生物传感器在实际应用中所面临的挑战，如灵敏度、特异性、稳定性和寿命等问题，并就此提出可能的解决方案。

我们将展望生物传感器未来的发展趋势，预测其在未来可能的应用领域和发展方向。

通过本文的综述，我们希望能够为研究者提供一个关于生物传感器研究进展的全面视角，为其未来的研究和开发提供有益的参考。

二、生物传感器的基本原理与技术生物传感器是一种利用生物分子识别元件与物理或化学换能器相结合，对生物物质进行高选择性、高灵敏度检测的新型分析装置。

其基本原理是将生物分子识别过程（如酶促反应、抗原抗体反应、核酸杂交等）与信号转换器（如电化学电极、光学器件、压电晶体等）相结合，通过生物识别元件与待测物之间的特异性相互作用，将生物化学反应产生的信息转化为可检测的电信号、光信号或其他形式的信号，从而实现对待测物的定性或定量分析。

生物传感器的核心技术包括生物识别元件的制备与固定化技术、信号转换与处理技术，以及传感器的微型化与集成化技术。

生物识别元件的制备是实现生物传感器特异性与灵敏度的关键，常见的生物识别元件包括酶、抗体、核酸适配体、细胞和组织等。

信号转换与处理技术是生物传感器将生物识别信号转化为可测量电信号的核心，常见的信号转换方式有电化学转换、光学转换、热学转换等。

生物传感器的研究进展与应用研究在现代科学领域中，生物传感器是一种广泛应用的技术，不仅在医疗保健领域有重要的应用，也被广泛应用于环境监测、工业生产等领域。

生物传感器的研究已经发展了几十年，历经多次革新和进步，如今已形成了包括电化学传感器、光学传感器、质谱传感器、生物发光传感器等多种类型的传感器。

本文旨在概述生物传感器的基本原理和分类，以及目前已有的主要研究进展和应用研究。

一、生物传感器的基本原理及分类生物传感器作为一种生物分析技术，主要是利用生物反应的特异性和灵敏性将生物分析过程转化为可测量的电、光、声等信号，从而实现对生物分子的快速、精确检测。

生物传感器按照其信号转换机制可以分为电化学传感器、光学传感器、质谱传感器、生物发光传感器等多种类型。

其中，电化学传感器是利用电化学反应过程的一系列物理和化学变化，对反应过程中发生物质转化的电流、电势变化等参数进行检测和记录。

这种传感器具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，广泛应用于环境污染监测、食品检测、医学诊断等领域。

光学传感器是利用光学传感器反射特性基于光学原理进行测量，其中包括表面增强拉曼光谱传感器、表面等离子体共振传感器等等。

质谱传感器基于质谱分析原理，用来检测生物分子的质量和结构。

而生物发光传感器基于生物体内活性荧光物质特性，利用荧光发射强弱进行检测和记录。

二、生物传感器的主要研究进展随着科技不断发展，生物传感器也在不断地发展中。

生物传感器的主要研究进展体现在以下几方面。

1、灵敏度提高近年来，生物传感器的灵敏度得到了不断提高。

传统的“热点”识别法、荧光共振能量转移、表面等离子体共振等技术的出现为生物传感器的灵敏度提高提供了有力的支撑。

此外，研究人员也通过改变传感器表面形貌、优化传感器的工作液、加强传感层对于目标分子的覆盖度等方法提高灵敏度。

2、多样化应用生物传感器的应用范围越来越广泛。

传统的医疗监测、环境监测等领域，已经可以应用到食品安全、生物制药、无机化学等领域。

电化学生物传感器的研究与应用现状电化学生物传感器的研究目前主要集中在三个方向：传感器构建、信号放大和检测仪器的开发。

传感器构建主要包括生物识别分子的修饰和载体材料的选择。

生物识别分子可以是抗体、酶、DNA等，通过与目标物质的特异性相互作用，实现对目标物质的检测。

载体材料选择需要考虑电化学活性、生物兼容性、稳定性等因素，常见的载体材料有玻碳电极、金属薄膜等。

信号放大主要通过引入纳米材料、纳米结构或功能材料，增强电化学传感器的灵敏度。

检测仪器的开发旨在提高传感器的检测性能和实用性，主要包括微流控技术、传感器阵列和便携式检测仪器等。

电化学生物传感器在医学诊断领域的应用已经取得了重要进展。

例如，血糖仪是最常见的电化学生物传感器之一，用于测试血液中的葡萄糖含量，对糖尿病患者的日常管理起到了重要作用。

此外，电化学生物传感器还可以用于监测血清中的肿瘤标志物、心肌酶等，辅助临床诊断，提高疾病的早期诊断率。

在食品安全方面，电化学生物传感器也发挥着重要作用。

传统的食品检测方法通常需要昂贵的仪器设备和复杂的分析程序，而电化学生物传感器则具有快速、灵敏和简单的优点。

通过检测食品样品中的有害物质，例如重金属、农药残留和毒素等，电化学生物传感器能够有效地保证食品安全，减少食品中的有害物质对人体的危害。

此外，电化学生物传感器还被广泛应用于环境监测。

例如，可以利用电化学生物传感器检测水体中的有毒金属离子、有机物污染物等，为环境污染监控提供有效手段。

另外，电化学生物传感器还可以用于检测空气中的污染物，例如二氧化硫、氮氧化物等，为空气质量监测提供帮助。

总之，电化学生物传感器是一种有着广泛应用前景的检测技术。

随着传感器构建、信号放大和检测仪器的不断改进和创新，电化学生物传感器将在医学诊断、食品安全、环境监测等领域发挥更加重要的作用。

我国电化学生物传感器的研究进展刘艳【摘要】介绍电化学生物传感器的基本原理及分类;阐述电化学生物传感器的发展历程;综述近三年来电化学生物传感器中研究最为广泛的电流型生物传感器的应用.【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(012)006【总页数】3页(P153-155)【关键词】电化学;生物传感器;非特异性吸附;蛋白质吸附【作者】刘艳【作者单位】长江师范学院,重庆,408100【正文语种】中文【中图分类】O652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。

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。

生物传感器的研究进展与应用前景随着生物学、电子学和材料学等交叉学科的不断发展，生物传感器已成为目前最具潜力的实验室和临床应用之一，其在医疗诊断、环境监测、食品安全等方面具有广泛的应用前景。

生物传感器是一种基于生物学分子与传感器之间的相互作用，可以转化生物分子信号为电化学、光学、质谱等信号的生物检测技术。

它可以测量生物分子、细胞、组织的生理、生化特性，能够在单细胞水平下探究分子交互的机理，从而在医学上提供了高敏感、高特异、高效率的定量检测方法。

在生物传感器中，探针是最重要的部分之一。

探针一般由识别分子和转换器件两部分组成。

识别分子一般是生物大分子如抗体、核酸、酶等等，具有较高的特异性和灵敏性。

转换器件则可以将生物分子识别转化为可测量的物理信号，如荧光、电流、电压、质谱信号等。

探针的设计与合成直接关系到生物传感器的检测灵敏度、特异性和应用范围等。

除了探针之外，材料的质量和性能也影响了生物传感器的性能。

比如传感器的灵敏度和特异性可以得到提高，唯有探针材料和转换器件材料的优化才能得到进一步的提高。

同时，生物相容性、稳定性和可重复性也是常常需要考虑的重要因素。

生物传感器可以用于临床和环境监测等领域。

在临床方面，生物传感器广泛应用于癌症、心血管疾病、神经系统疾病、感染病毒等疾病的早期诊断、药物筛选和有效监测。

其中，压电传感器、电化学传感器、荧光探针等技术在临床中得到了广泛应用。

在环境监测方面，生物传感器主要关注污染物质的检测，如水中重金属、生物毒素等，可以有效地监测环境水体和土壤的污染程度，为环境保护提供技术支持。

同时，食品安全是另一项非常重要的领域，生物传感器在这方面也有着广泛的应用前景。

食品中的添加剂、农药残留、微生物污染等都是日常的监测重点，使用基于核酸、抗体结合等技术构建的传感器可以对食品中的农药、残留物、病原体等微量有毒有害物质进行精确测量，有效保障食品安全。

总之，生物传感器的应用前景广阔，其技术不断完善，制约其性能的材料技术、工艺技术等都在持续优化。

固定化酶及其应用研究进展摘要：随着社会的发展，越来越多酶被人们广泛的应用在工业生产、生物传感器和环境保护等领域。

作为一种良好的生物催化剂，酶可以在常温、常压等温和的反应条件下高效地催化反应,一些难以进行的化学反应在酶的催化下能顺利地完成。

关键词：酶固定化酶应用进展酶是由生物体内自身合成的生物催化剂。

多数酶的化学组成为蛋白质。

现已鉴定出3000种以上的酶，其中数百种已得到结晶。

酶具有催化效率高和高度专一性的特点，但易受强酸、强碱、高温等条件影响，使蛋白质变性而失去催化活性。

某些酶仅决定于它的蛋白质结构，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。

另一些酶为酶蛋白与辅助因子结合形成的复合酶，称为全酶，在催化反应中，酶蛋白决定酶反应的专一性，而辅助因子则直接对电子、质子或某些基团起传递作用。

固定化酶是把酶人工偶联到不溶于水的载体上，并长时间保持催化活性，使过程连续化、简单化。

酶的固定化就是通过化学或物理的处理方法,使原来水溶性的酶与固态的水不溶性支持物相结合或被载体包埋。

固定化方法有物理吸附法、交联、共价结合及包埋等方法。

目前较先进的方法是将酶固定在生物膜或超滤膜上,制造出来的生物膜反应器的生产能力有明显提高。

经过固定化,酶具有了比原来水溶性酶更多的优点:1)酶经过固定化处理一般稳定性有较大提高,对热、pH等的稳定性提高,对抑制剂的敏感性降低,有的酶具有了抗蛋白酶分解的特性;2)反应完成后经过简单的过滤或离心,酶就可以回收,而且酶活力降低较少,这样就降低了生产成本;3)固定化体系适合于连续化、自动化生产,催化过程容易控制,且产品中不会带进酶蛋白或细胞,改善了后处理过程,提高了酶的利用效率,降低了生产成本。

酶在生理学、生物化学、医学、农业、工业等方面具有重大意义。

酶作为生物催化剂,尤其是固定化酶作为多相生物催化剂,能够在非常温和的条件下实现合成、降解及转换化学物质的特异性反应,效率高,能源消耗少.这无疑向我们展示出一幅广阔的应用前景. 现代意义下的酶,已不单单是一些微生物的重要产物,它已成为现代生物产业中一个不可缺少的组成部分。