纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器

葡萄糖生物传感器的工作原理
葡萄糖生物传感器是一种基于生物化学反应的传感器，用于检测血液、尿液和其他生物体液中的葡萄糖浓度。

其工作原理大致如下：
1.酶反应：首先，传感器中包含一种葡萄糖氧化酶（GOx），它能够将葡萄糖转化为酮糖和过氧化氢。

2.电流变化：当葡萄糖存在时，它会被GOx催化氧化为过氧化氢，进而导致电位变化，并在电极表面形成电流。

因此，传感器可以通过测量电流变化来检测葡萄糖浓度。

3.反应速度：GOx对葡萄糖的反应速度取决于它们之间的接触面积和浓度差异，因此传感器的灵敏度和响应速度与GOx的浓度有关。

4.实时测量：特别是在移动装置或实时生产环境下，传感器可以与无线互联设备结合，将结果直接传递到互联网或大数据处理平台中，进行实时监测和控制。

总之，葡萄糖生物传感器工作原理简单，但具有重要的应用前景，在生物医学、环境监测和食品质量控制等领域发挥着巨大的作用。

其他类型生物传感器介绍一、纳米生物传感器随着纳米技术的发展，生物传感器也带来了新的革命，一些纳米传感器和纳米执行器应运而生。

例如有一种为糖尿病患者研制的超小型的、模仿健康人体内的葡萄糖检测系统的智能药丸，即纳米智能药物，它能被植入皮下，监测血糖水平，必要时释放出胰岛素，使人体内的血糖和胰岛素含量总处于正常水平。

由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的分子马达，也是一种纳米系统。

它包括线性推进和旋转式推进两类。

DNA解旋酶是线性分子马达，而生物体中普遍存在的三磷酸腺苷酶（ATPase）是旋转式分子马达。

有种能探测单个活细胞的纳米探针，可插入活细胞内，探知会导致肿瘤的早期DNA损伤程度。

美国康纳尔大学一个科研小组最近研制成功了“纳米直升机”，它有一个用金属镍制成的螺旋桨，并且利用它的生物分子部件而将人体内产生的ATP转换成能量，利用这一能量它们可以在人体细胞内“飞翔”和“着陆”。

科学家希望它能帮助医师清除细胞缺陷和释放药物。

实验结果已经显示，在人体生物能量的驱动之下，这种三件式的“纳米直升机”能自行组装、维护和修理。

另外，利用纳米材料的吸附能力强、比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高等优良特性，把纳米敏感颗粒引入到生物传感器的组装中可制备体积更小、灵敏度更高而且可靠性更好的高性能生物传感器。

如把纳米金颗粒或纳米铂颗粒（图-1）引入敏感膜制备中，则生物传感器灵敏度等性能有可能极大的提高。

Mirkin 和Lin等采用金纳米-DNA探针成功识别了靶基因，表明纳米技术能提高DNA传感器的灵敏度、稳定性及专一性。

中国科学研究院上海应用物理所日前研制出一种新型电化学DNA 纳米生物传感器，使DNA检测变得便捷而廉价。

其创新点在于引入“金”纳米粒子进行电化学信号的放大，从而显著增强了DNA检测的“嗅觉”，其灵敏度比常规荧光检测方法高出约1000倍。

该技术的检测速度也较快，对于标准DNA样品约1小时就能给出数据，能实现传统检测手段所无法做到的DNA现场检测。

葡萄糖传感器的电极材料葡萄糖传感器是一种用于测量葡萄糖浓度的装置，广泛应用于医学、食品和环境监测等领域。

其中，电极材料是葡萄糖传感器中至关重要的组成部分。

本文将介绍葡萄糖传感器的电极材料及其特点。

1. 纳米材料纳米材料是葡萄糖传感器中常用的电极材料之一。

纳米材料具有较大的比表面积和优异的电化学性能，能够提高传感器的灵敏度和稳定性。

常见的纳米材料包括金纳米颗粒、银纳米颗粒和二维纳米材料等。

金纳米颗粒具有良好的电化学活性和生物相容性，可用于制备高灵敏度的葡萄糖传感器。

银纳米颗粒也具有较好的电化学性能，并具有抗菌作用，可用于制备具有抗菌功能的葡萄糖传感器。

二维纳米材料如石墨烯、二硫化钼等具有出色的导电性和生物相容性，能够提高传感器的灵敏度和选择性。

2. 金属材料金属材料是传统葡萄糖传感器中常用的电极材料之一。

常见的金属材料包括铂、银和金等。

这些金属具有良好的电导率和稳定性，能够有效地催化葡萄糖的氧化反应。

铂是最常用的金属材料之一，具有较高的电化学活性和稳定性，能够提高传感器的灵敏度和选择性。

3. 生物材料生物材料是葡萄糖传感器中独特的电极材料。

这些材料通常是通过将生物分子固定在电极表面来实现对葡萄糖的检测。

例如，将葡萄糖氧化酶固定在电极表面，通过测量氧化酶催化葡萄糖氧化产生的电流来测量葡萄糖浓度。

这种生物材料具有高度的选择性和灵敏度，常用于医学领域的葡萄糖监测。

4. 碳材料碳材料是一类新型的电极材料，具有优异的电化学性能和生物相容性。

常用的碳材料包括碳纳米管、石墨烯和碳纳米球等。

碳纳米管具有良好的导电性和机械强度，能够提高传感器的灵敏度和稳定性。

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维材料，具有出色的电导率和生物相容性，可用于制备高灵敏度的葡萄糖传感器。

碳纳米球具有较大的比表面积和优异的电化学性能，能够增强传感器的灵敏度和稳定性。

葡萄糖传感器的电极材料是实现葡萄糖检测的关键因素之一。

不同的电极材料具有不同的特点和适用范围，可以根据具体需求选择合适的电极材料。

葡萄糖检测传感器的制备和性能优化近年来，随着生活水平的提高和社会进步的不断推进，人们的生活质量越来越高，在这种情况下，保持身体健康成为了人们非常重视的问题，而葡萄糖的监测显然是人们常常需要关注的问题。

当前的葡萄糖检测技术存在许多的局限和不足之处，这也为人们研发更加快速、准确、方便的葡萄糖检测传感器提供了巨大的潜力与发展机遇。

一、葡萄糖检测传感器的制备：葡萄糖检测传感器是一种常用的化学分析方法，其制备需要选取合适的纳米材料，并通过一系列化学反应实现材料的修饰。

以下是葡萄糖检测传感器的制备流程：1. 选择纳米材料。

目前，常用作葡萄糖检测传感器的纳米材料包括金纳米棒、量子点、二维纳米材料等，不同的纳米材料具有不同的性质和特点，需要根据具体情况选择合适的纳米材料。

2. 材料修饰。

针对不同的纳米材料，需要采用不同的化学方法实现其表面的修饰。

例如，金纳米棒可以通过修饰其表面的胶乳层来实现对葡萄糖的高灵敏度检测。

3. 制备电极。

传感器的电极部分需要制备，一般来说，用玻碳电极或金电极作为基底，在其表面制备上葡萄糖检测所需的纳米材料以进行检测。

4. 构建传感器。

将上述制备的材料进行整合，通过电化学沉积方法，在制备的电极上浸入葡萄糖样品，然后以计时、计量方式获取检测结果并与标准曲线对照，从而完成整个传感器的制备。

二、葡萄糖检测传感器的性能优化:传感器中的纳米材料类型和性质、电极制备的质量等等都会影响检测传感器的性能，因此，仅仅制备出传感器还不够，还需要对其进行性能优化，提高其精度、灵敏度、稳定性等等。

1. 优化材料选择。

材料的选择是实现传感器性能优化的重要一步，不同种类的纳米材料在性能表现中也会有所不同。

要根据具体应用需求，选择出合适的纳米材料进行制备和修饰。

2. 优化电极制备。

传感器中的电极制备质量直接决定了检测信号的强弱程度，应当对制备工艺进行有效的优化。

例如，可以通过控制电极沉积时间、改变电解液制备方式等方法来优化电极制备。

联系人简介 ： 品刚（９６年出生 ） 男 ， 何 １５ ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事 生物 电分析化 学研究 ． —ａ ： ｇｅ ｈｍ ｅｎ．ｄ ．ｎ Ｅｍ ｉ ｐ｝＠ｅｅ ．ｃｕｅｕｏ ； ｌ ｌ
方禹之（ ９ １ 出生 ） 男 ， １３ 年 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从 事生物电分析化学研究．Ｅｍ ｉ ｙｚｉ ｎ ｎ．ｈ ｃ ・ ａ ： ｕｈ＠ｏｌ ｅ ｓ．ｎ ｌ ｉ
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Ｖ０ ． ８ １２ ２ ００ ７ 年 ７月
高 等 学 校 化 学 学 报
Ｃ ＨＥＭＩ ＣＡＬ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＩ ＮＥＳ ＵＮＩ Ｅ ＶＥＲＳ Ｅ ｍ Ｓ
Ｎｏ ７ ．
１ ５１—１ ５ ２ ２４
铂 纳米 颗 粒 修 饰 直 立碳 纳米 管 电极 的 葡 萄 糖 生 物 传 感器
一
电化学反应 中可以作为优 良的电子传递媒介． 据文献［ ～ ］ ５ ７ 报道 ， 制备 了 Ａ 纳米颗粒与超细银－ ｕ 金复 合颗粒增强的葡萄糖传感器 ， 得到响应迅速 、 灵敏度高的直接电子转移 的酶电极．在碳纳米管上负载 ｃ 和 Ｐ 纳米颗粒的修饰电极用作生物传感器已有研究 Ｊ 而以直立碳纳米管为工作 电极 ， ｏ ｔ ， 在其表面 修饰金属纳米颗粒用作生物传感器 的研究 尚未见报道．目前 ，已报道 的电流型葡萄糖传感器普遍存在 响应 电流小 ，响应 时 间长 和检测 线性 范 围较 窄等 缺 点． 本 文 以直立 碳纳 米管 作 为导 电基 质 ， 用化 学还 原法 制 备 了铂 纳 米 颗粒 ， 而得 到铂 纳 米颗 粒 修 采 从 饰的直立碳纳米管电极（ ｔ Ｃ Ｔ ） 研究 了此电极的电化学性质并制成葡萄糖生物传感器进行葡萄糖 Ｐ． Ｎ ｓ ， Ａ 的检测． 结果表 明， 此传感器较好地克服了上述缺点 ， 有响应时间短 ， 具 灵敏度高和抗干扰能力强等 特点．具有 良好的导电性和电催化活性的 Ｐ－Ｃ Ｔ 电极有望成为酶传感器中的一种新型基体电极． ｔ Ｎｓ Ａ

葡萄糖生物传感器研究概况葡萄糖是动物和植物体内碳水化合物的主要组成部分，因此葡萄糖的定量测定在生物化学、临床化学和食品分析中都占有很重要的位置。

1954年Clark的氧电极分析方法使活体组织氧分压的无损测量成为可能，由此打开了生物传感器这一研究领域。

50多年来各国科研人员对生物传感器的研究和发展使得葡萄糖传感器在食品分析、发酵控制、临床检验等诸多方面得到应用并发挥了重要的作用。

本文对葡萄糖生物传感器的分类、原理及发展概况等作一简要概述。

1.概念生物传感器是用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置，Gronow将其定义为“使用固定化的生物分子结合换能器”[1]。

它利用生物化学和电化学反映原理，将生化反应信号转换为电信号，通过对电信号进行放大和转换，进而测量被测物质及其浓度[2]，是一种集现代生物技术与先进的电子技术于一体的高科技产品。

生物传感器可用于探索揭示生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律，探讨应用于人类经济活动的基本方法。

葡萄糖传感器是生物传感器领域研究最多、商品化最早的生物传感器[3]，为葡萄糖氧化酶，GOD）经固化后于氧电极组成成。

这一生物传感器可在非常短的响应时间（glucose oxidase内完成对葡萄糖的测定，其线性范围为0～30mg?dL-1，能稳定使用22d，测定的相对标准偏差小于1.2。

2.分类关于葡萄糖生物传感器的分类，不同的研究方向，有不同的分类方法，主要有以下三种分类。

一是根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件划分为：酶传感器（enzyme sensor），微生）），组织传感器（tis-suesensor物传感器（microbial sensor），细胞传感器（original sensor和免疫传感器（immunolsensor）。

二是根据生物传感器的换能器即信号转换器分类，如：生物电极（bioelectrode）传感器，半），热生物传），光生物传感器（optical biosensor导体生物传感器（semi conduct biosensor）等。

金纳米葡萄糖氧化酶金纳米葡萄糖氧化酶是一种重要的生物催化剂，具有广泛的应用价值。

它能够将葡萄糖催化氧化为葡萄糖酸，并产生电子供应给电子受体。

这种酶在生物传感器、生物燃料电池、生物制药等领域具有重要的应用前景。

金纳米葡萄糖氧化酶具有许多独特的特点。

首先，金纳米颗粒具有较大的比表面积，能够提供大量的反应活性位点，从而提高酶的催化效率。

其次，金纳米颗粒具有良好的生物相容性，不会引起免疫反应或毒性反应，从而保证了生物体内的安全性。

此外，金纳米颗粒还具有良好的稳定性和抗氧化性能，能够保持酶的活性并延长其使用寿命。

金纳米葡萄糖氧化酶在生物传感器中的应用是其最主要的应用之一。

生物传感器是一种将生物分子与传感器技术相结合的新型检测技术，能够对特定的生物分子进行高灵敏度、高选择性的检测。

金纳米葡萄糖氧化酶可被固定在传感器表面，并与葡萄糖结合形成复合物。

当待测样品中含有葡萄糖时，葡萄糖与酶发生反应，产生电子流并转化为电信号，从而实现对葡萄糖的检测。

通过调节金纳米颗粒的形状、尺寸和表面修饰，可以进一步提高传感器的灵敏度和稳定性。

金纳米葡萄糖氧化酶还可以应用于生物燃料电池中。

生物燃料电池是一种将生物质能直接转化为电能的装置，具有清洁、可再生的特点。

金纳米葡萄糖氧化酶可被固定在电极表面，与葡萄糖发生氧化反应，产生电子并将其传递到电极上，从而产生电流。

通过调节金纳米颗粒的形状和尺寸，可以提高生物燃料电池的效率和稳定性。

金纳米葡萄糖氧化酶还可以应用于生物制药中。

生物制药是一种利用生物技术制造药物的方法，具有高效、低成本、高纯度的特点。

金纳米葡萄糖氧化酶可被用作生物制药过程中的催化剂，能够提高反应速率和产物纯度。

通过调节金纳米颗粒的形状和尺寸，可以进一步优化生物制药过程中的催化效果。

金纳米葡萄糖氧化酶具有广泛的应用前景。

它在生物传感器、生物燃料电池、生物制药等领域具有重要的应用价值。

随着纳米技术的不断发展和完善，金纳米葡萄糖氧化酶的应用前景将更加广阔。

－－０．６～十Ｏ．６ Ｖ，扫描速度为５０ ｍｖ／ｓ．记录酶电极对葡萄糖的电流响应．
２结果与讨论
２．１
不同修饰电极的传感器对葡萄糖的晌应 葡萄糖酶传感器的检测机理是葡萄糖在葡萄糖酶催化作用下生成葡萄糖酸和Ｈ。０２，通过检测Ｈ。０：
还原电流米达到测定葡萄糖浓度的目的．我们分别制作了ＭＷＮＴｓ—ＣＨＩ，ｒ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（１）、Ｆｅ。０４～ ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（２）和ＭＷＮＴｓ—Ｆｅ。０４一ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（３）三支不同电极．在２５℃条件下，分别 将三种电极放人葡萄糖含量为１×１０～ｍｏｌ／Ｉ。的磷酸盐缓冲液（ｐＨ＝６．８）中进行扫描，得到的循环伏安 图（见图１）．由图ｌ可见，ＭＷＮＴｓ—Ｆｅ。Ｏ。一ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（３）较Ｆｅ。Ｏ。一ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（２）和 ＭＷＮＴｓ—ＣＨｌＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（１）氧化还原峰电流有所提高．这主要是因为磁性纳米Ｆｅ。Ｏ。颗粒能够在 葡萄糖氧化酶的氧化还原中心和玻碳电极之间有效地传输电子，增强了酶促反应．同时，多壁碳纳米管的 引入增强了电子传递速率和酶的同定量，从而提高了电极的催化能力． ２．２扫描速度对传感器响应电流的影响 在２５℃条件下，将ＭＷＮＴｓ－－Ｆｅ。ｑ－－ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣ修饰电极置于葡萄糖含量为１×１０一ｍｏｌ／Ｉ。 的ＰＢＳ（ｐＨ＝６．８）溶液中，以不同扫速（Ｏ～２５０ ｍｙ／ｓ）测定，得到循环伏安图（见图２）．实验结果显示，随 着扫速的增加，氧化还原峰电流随之增大，并且均与扫描速度的平方根呈线性关系，这表明氧化还原峰电 流受扩散控制．当扫描速度达剑２５０ ｍｖ时，得到较为对称的循环伏安图，说明玻碳电极能够与固定其表面 的物质进行快速的电子交换．
［８］王存嫦。ｍ明辉．鲁亚霜．等．基于碳纳米管和铁氰酸镍纳米颗粒协同作用的葡萄糖生物传感器［Ｊ］．化学学报。２００６．

中 图分 类 号
糖尿病 是一种 常见 的代 谢 内分 泌疾病 ， 由遗传 和环境 因素相互 作 用 引起 的临床 综合 症．随 着人 是 类 生活水 平的 日益 提高 ， 糖尿 病的发病 率逐 年增加 ．鉴 于糖 尿病 对人 类 健康 存 在 的巨大 威胁 ，因此 对 体 内葡萄糖 浓度进 行迅速 而准 确 的测 定意 义重 大． 自 Ｕ ｄｋ ｐｉｅ和 Ｈｃｓ １６ 研 制 出第 一 支 葡萄 ｉ ¨ 于 ９ ７年 ｋ 糖氧化 酶 电极 以来 ， 萄糖 生物传 感器得 到 了广 泛 的研究 和应 用 ．迄 今 为止 ， 有 ３代 酶传 感器 用 于 葡 共
Ｖ０ ． １ ３１ ２ １ ４月 ０ Ｏ年
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Ｃ ＭＩ ＨＥ ＣＡＬ Ｊ ‘ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＩ ＮＥＳ Ｅ ＵＮＩ ＶＥＲＳ Ｔ ＥＳ ＩＩ
Ｎｏ ４ ．
６ ２～６ ８ ７ ７
基 于钯 纳米 颗粒 修 饰直 立碳 纳 米 管 电极 的 电化 学葡 萄 糖 生 物 传 感 器
明， 电极表 面大量 Ｐ 纳米颗粒的存在显著提 高了传感器的检测灵敏度 ， 酶电极具有响应时间短 （ ５ｓ 及 ｄ 使 ＜ ）
检测 电位低（ ０ ４Ｖ 等优点． ＜ ． ）
关键词
葡萄糖传感器 ； 电极 ；直立碳纳米管 ； 酶 钯纳米颗粒
０ ５ ． ６７ １ 文献 标 识 码 Ａ 文章编号 ０ ５ － ９ （００）４ ６ ２ ７ ２ １ ７０ ２１ ０－ ７ － ０ ０ ０
纳米 管或碳纳 米管 阵列 （ Ｃ Ｔ ） 仅拥有 高度一 致 的空 间取 向 ， Ａ Ｎ ｓ不 而且 具备优 良的电子 传递 能力 和可 监 测 的电化学反 应过程 ， 被应 用于生 物传感 器技 术 中¨ ．最近 ， 研 究小 组 ［，￣ 用 Ａ Ｎ ｓ材料 制 本 Ｊ１ 利 ｓ９ ＣＴ

葡萄糖生物传感器的工作原理
葡萄糖生物传感器是一种将生物酶与电化学传感器结合而成的生物医学设备，用于定量检测血清、血浆、尿、脑脊液等样品中的葡萄糖浓度。

其工作原理主要分为三个步骤：
1. 生物酶反应：葡萄糖生物传感器中固定有葡萄糖氧化酶（GOD），将待测样品中的葡萄糖与氧同时消耗，发生如下酶促反应：
葡萄糖 + 氧→ 葡萄糖酸 + 水
2. 电子传递：在电极表面固定GOD和辅助酶（如过氧化物酶）后，加入待测样品后，样品中的葡萄糖与电极表面的GOD发生反应，产生葡萄糖酸和水，同时释放出电子。

电子通过电极传递至体外回路，产生电流信号。

3. 电流信号测量：葡萄糖生物传感器通过测量电路测量电流信号，将其转换为葡萄糖浓度，并输出至显示设备或记录设备。

通常情况下，葡萄糖生物传感器的检测范围在0.1-10mmol/L之间，可精确到0.1mmol/L以下。

总之，葡萄糖生物传感器的工作原理是将生物酶反应和电化学传感器技术相结合，通过测量电流信号来定量检测样品中的葡萄糖浓度。

其具有操作简便、快速、准确等特点，在临床医学中广泛应用于糖尿病的诊断和治疗。

纳米 材 料 由于具 有 独特 的光 、 、 特 性 正 日益 电 磁
受到科 技人 员 的广泛重 视 。 感器 是纳 米材 料最 有前 传
途 的应 用领 域之一 。纳 米颗 粒 的高 比表 面积 、 表 面 高
采用 四氧化三铁纳米颗粒构建高灵敏度葡萄糖生物 传 感器 ，实验结 果 显示传 感 器线性 范 围为６×１— ０ ３ｔ ｏ ２ 灵 敏 度达 ｌ． Ａ ｍ ２ ．ｍＭ， ２ Ｉ４ ５ ｃ 一 ｍＭ一 。与 以往 研 究 １ 不 同的是 ， 由于磁性 纳米 颗粒 具有 类 似过 氧化 氢酶 的
偏 差均 在 ３ ％以 内 ， 很 强 的实用 性 。 因此 ， 有 本项 研究 成果 有 助于 进一 步促 进生 物传感 器 向超 微型 化 、 智能
（ 杨柳 ）
６ ７
增强生物传感器研究 的团队之一。 在国家 自 然科学基 化 、 实用 化发 展 。
在 组 件 层 级 ，ｅ ａｅｈ 与 加 州 柏 克 莱 大 学 、 Ｓｍ ｔ 正 ｃ 史 丹 佛大 学等 单位 的研 究人 员合 作 ，开 发采 用Ｎ ＭＳ Ｅ 技 术 的 内存 组 件 ，以 及 号 称 “ 泄 漏 ” 的Ｎ ＭＳ 关 零 Ｅ 开 （ ｉｈ，或 是与 Ｃ Ｓ 术整 合 的混合 式 开关 组件 。 ｓ ｔ） ｗｃ ＭＯ 技
在 国家 自然 科学 基金 重点 项 目的 支持 下 ， 中科 由 院 理化 技 术研 究 所 唐芳 琼 研 究员 带 领 的纳米 材 料 可 控制 备 与应 用 研 究组 在 纳 米增 强 的酶 生物 传 感 器研
究方 面取得 重要进 展 。
行 了全 面系统 深入 的研 究 。分别 将 金属 纳米 颗粒 、 半 导体 颗 粒 和 棒状 材 料 引 入 到酶 生 物传 感 器 的 组装 研 究中， 都得 到 了显著 的增 强效 果 。此 次 的研 究 成果 是

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２０ ０ ２年 第 ２卷 第 ３期
０６ ４ １ ４ ．６
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任湘菱
唐芳琼 ［ 中国科 学院理化技术研 究所 （ 中国科 学院感 光化学研 究所部分 ） 原 ，
北 京 １０ ０ 】 ０ １１
ｔｒ ｒ ｎｔｕｅ ｔ ｈ ｔｇａ ｈｃＣ ｅ ｓｙｏ ＣＡ ）Ｂ ｉｎ ０ ｏｍｅ ｓ ｔｔｏ、 ｏｏ ｒｐ ｉ ｈｍｉｒ ｆ Ｓ． ｃ ｉｇ１０ Ｉ Ｉ ｉ Ｐ ｔ ｊ １ ） ０
纳米银． 复合颗 粒对 葡萄糖 生物传 感器 响应灵 敏度 的增 强 金
效应
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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@. 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 0120210207Nanomaterials Based Electrochemical BiosensorsY 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, ChinaAbstract 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 ationContents1 Introduction to biosensors2 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 1 Challenges and developments of biosensors 2. 2 Introduction of nanomaterials2. 3 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2.3. 1 Nano particles based electrochemical biosensors2. 3. 2 Nanowires and nanorods based electrochemical biosensors2. 3. 3 Carbon nanomaterials basedelectrochemicalbiosensors2. 3. 4 Nano array based electrochemical biosensors 2. 3. 5 Nanosheets based electrochemical biosensors 3 Concluding remarks第21卷第1期2009年1月化学进展PRO G RESS I N C HE M IST RYVol. 21No. 1 Jan. , 20091 生物传感器概述生物传感器通常由生物识别元件(bioreceptor 和信号转换器件(transducer 两个部分组成:生物识别单元具有专一的选择性, 可以获得极其高的灵敏度; 而信号转换器通常是一个独立的化学或物理敏感元件, 可采用电化学、光学、热学、压电等多种不同原理工作。

纳米材料在生物传感器中的应用在当今科技迅速发展的时代，生物传感器作为一种能够快速、准确检测生物分子和生物过程的工具，正发挥着日益重要的作用。

而纳米材料的出现，为生物传感器的性能提升带来了前所未有的机遇。

纳米材料凭借其独特的物理、化学和生物学特性，已经成为生物传感器领域的研究热点和重要组成部分。

纳米材料之所以在生物传感器中备受关注，主要是因为它们具有一些突出的特性。

首先，纳米材料具有巨大的比表面积。

这意味着在相同的体积下，纳米材料能够提供更多的反应位点，从而大大提高了生物分子的吸附和反应效率。

例如，纳米金颗粒的比表面积比普通金颗粒大得多，能够更有效地结合生物分子，如蛋白质和核酸。

其次，纳米材料的电学和光学性质也十分独特。

一些纳米材料，如碳纳米管和量子点，具有良好的导电性和荧光特性。

这些特性可以被巧妙地利用来实现生物分子的检测。

例如，当生物分子与量子点结合时，其荧光强度会发生变化，通过检测这种变化就可以实现对生物分子的定量分析。

再者，纳米材料的生物相容性也是其在生物传感器中应用的一个重要优势。

许多纳米材料对生物组织和细胞的毒性较低，能够在生物体内稳定存在而不引起明显的不良反应。

这使得它们可以直接用于体内生物传感器的构建，实现实时、原位的生物检测。

在众多的纳米材料中，纳米金颗粒在生物传感器中的应用尤为广泛。

纳米金颗粒具有良好的稳定性、生物相容性和独特的光学性质。

基于纳米金颗粒的比色生物传感器就是一个典型的应用例子。

当纳米金颗粒在溶液中分散时，溶液呈现红色；而当它们聚集时，溶液颜色会变为蓝色。

利用这一特性，可以通过检测溶液颜色的变化来判断生物分子之间的相互作用。

例如，在检测 DNA 时，可以设计特定的 DNA 探针与目标 DNA 结合，导致纳米金颗粒的聚集，从而实现对目标 DNA的可视化检测。

碳纳米管也是一种备受瞩目的纳米材料。

由于其出色的导电性，碳纳米管可以作为电极材料用于构建电化学生物传感器。

将生物分子，如酶或抗体，固定在碳纳米管表面，可以显著提高传感器的灵敏度和选择性。

（ ．齐齐哈尔大学 通信与电子工程学 院 ，黑龙江 齐齐哈尔 １ １０ ；２ １ ６０ ６ ．齐齐哈尔大学 理学院 ，黑龙江 齐齐哈尔 １ １０ ６０ ６）
摘要 ：研究 了一种基于纳米材料 的新 型电化学非酶葡萄糖传感器测试系统的设计方法 。在 ２ Ｍ 的 Ｋ Ｈ溶液 中， Ｏ Ｐ — ｉ ｉＷｓ 钯一 硅纳米线 ）电极在脉 冲扫描电压作用下 ，对溶液中葡萄糖分 子有 良好 电催化氧化作用 ，回路 ｄ Ｎ／ Ｎ （ 镍， Ｓ 中会产生催化氧化 电流 ，可 以通过峰值 电流保持器对 回路电流进行监控 ，把 回路中与葡萄糖催化氧化过程相对应
基 于
Ａ ９５ Ｔ８ Ｓ ２
液品显示电路
１ 系统设计方案
系统整体设计方案如图 １ 所示 。首先是一个可以提供多种电压输 出的系统电源 ， 主要为 Ａ ８Ｓ ｌ Ｔ ９ ５ 单片机提供＋ Ｖ工作电压， ５ 为峰值采 样电路中运算放大器提供 ±１Ｖ工作 电压 。 Ｄ Ｃ ８２ ５ 为 Ａ ０ ３ 芯片提供一个
葡萄糖是 自 然界分布最广且最为重要的一种单糖 ，它是一种多羟基醛 。葡萄糖在生物学领域具有重要 地位 ， 是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物。植物可通过光合作用产生葡萄糖。它在糖果制造业和医 药领域有着广泛应用。在生物工程 、日常生活以及医疗领域 ，葡萄糖浓度的检测对于生物工程生产、人或 者动物疾病的治疗都有着至关重要的作用 。 Ｐｒ 等人 ２０ 年在 Ａ ａ ｔ ａ ｈ ｉ ｃ 上介绍了无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展 ， ａ ｋ ０６ ｎｌｉ ｉ ｅ Ａ ｔ ｙｃ Ｃ ｍ ａ ａ 具体讨论了 无酶葡萄糖 电化学传感器的优点及其研制难点 ，阐述了葡萄糖在铂 电极 、金电极 、铜电极、镍电极等电极 材料上的电催化氧化机理，并根据电化学检测方法的不同将无酶葡萄糖 电化学传感器作了简单的分类 ，主 要分为 ３ ，分别是 ：电位式、伏安法和电流式葡萄糖电化学传感器” 类 ｌ 。 １６ ９２年，英国学者 Ｌ ．． ａ ． ＣＬ ｒ ｃ ｌ ｋ和 Ｌｏｓ ｙｎ 开始电流式葡萄糖传感器研究 ，它采用一薄层葡萄糖氧化酶 覆盖在氧化电极表面 ， 通过氧化电极检测溶液 中溶解氧的消耗量来间接测量葡萄糖浓度。１６ 年 ， ｐｉ ９７ Ｕｄ ｅ ｋ 和 Ｈｃｓ ｉ 在此基础上成功研制出第一只葡萄糖生物传感器 。１７ 年 ，Ｙ ｌｗ Ｓｒ ｇ ｓｕ ｅｔ ｋ ９５ ｅｏ ｐｉ ｓＩ ｔ ｍ ｎ 公司首次将 ｌ ｎ ｎｒ 葡萄糖酶电极市场化 。 ～ 在国内，唐芳等采用 Ｆ， ｅ 纳米颗粒构建高灵敏度葡萄糖生物传感器 ，其实验结果显示该传感器的灵 Ｏ 敏度达 １． ・ －ｍ ～３ １４ ｃ ２ Ｍ １ ５ ｍ． １ 。山东省科学院生物研究所采用固定化生物活性物质作催化剂研制出 Ｓ Ａ－ Ｃ Ｂ －０ ４

Ａｂｓｒ ｃ ：Ａ ｏ ｏ ｉｅ ｆｌ ｖａ ｄ ｐ ｓｔｏ ｆｃ ｔ ｓ ｎ ａ ｉ ｍ ａ ｏ ｒｉｌ ｓｗａ ｏ ｓｒ ｔｄ ｏ ｏ ｄ ｅｅ ｔｏ ｅ ｔａ ｔ ｃ ｍｐ ｓｔ ｍ ｉ ｅ ｏ ｉｉｎ ｏ ｈｉ ａ ／ｐｌｔ ｉ ｏ ｎｕ ｎ ｎ ｐａｔｃｅ ｓ ｃ ｎ ｔｕｃｅ ｎ ａ ｇ ｌ ｌ ｃｒ ｄ ｕ ｉｇ ｅｅ ｔｉｈ ｍｉａ ｔ ｏ ｓ ｓｎ ｌｃｒｃ ｅ ｃ ｌｍｅｈ ｄ ．Ｇｌ ｏ ｅ ｂｉｓ ｎ ｏ ｓｆ ｒ ｄ ｗｉ ｌ ｃ ｓ ｘ ｄ ｓ ｍｍｏ ｉｉｅ ｎ Ｃ ｍｐ ｓｔ ｍｍｏ ｕｃ ｓ ｏ ｅ ｓ ｒｗａ ｏ ｍｅ ｔ ｇｕ ｏ ｅ ｏ ｉ ａ ｅ ｉ ｈ ｂ ｌｚ ｄ ｉ Ｏ ｏ ｉ ｉ ｅ — ｂ ｌ ａｉ ｎ ｍｅ ｒ ｎ ｔｉ ｉ ｚ ｔｏ ｍｂ ａ ｅ ｍａｒｘ，ｗｈ ｃ ｓｃ ｍｐ ｓ ｄ ｏ ｈｉ ｓ ｎ ａ ｄ ｐｌｔ ｍ ａ ｏ ａ ｔ ｌ ｓｂ ｓｎ ｌ ｔｒ ｌ ｅ ｙ ｅ ａ ｉ ｉｈ ｗａ ｏ ｏ ｅ ｆｃ ｔ ａ ｎ ａ ｉ ｏ ｎｕ ｎ ｎ ｐ ｒｉ ｅ ｙ ｕ ｉ ｇ ｇｕ ａ ａｄ ｈ ｄ ｓ ｃ ａ ｃ ｏ ｓ ｌｎ ｉ ｇ ｎ ．Ｔｈ ｅ ｐ ｎ ｅ ｔ ｆｂ ｏ ｅ ｓ ｒｉ ｎ ｙ ａ ｏ ｔ８ ｗｉ ｉ ｅ ｒｒ ｎ ｅ ｆｏ １×１ ｔ ｒ ｓ －ｉ ｋｎｇａ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｓ ｉ ｏ ｉｓ ｎ ｏ ｓｏ ｌ ｂ ｕ ｓ ｍｅ ｔ ａ ｌｎ ａ ａ ｇ ｒ ｍ ｈ ０一 ｏ １×１ ０一
第２ ３卷 第 ６期 ２１ ０ ０年 ６月
传 感 技 术 学 报
Ｃ ＮＥ Ｅ Ｊ Ｕ ＨＩ Ｓ Ｏ ＲＮＡ Ｅ ＯＲ Ｄ Ｔ ＡＴ ＲＳ Ｌ ＯＦ Ｓ ＮＳ Ｓ ＡＮ ＡＣ Ｕ Ｏ
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甘蔗糖业2008年第3期 Sugarcane and Canesugar 2008年6月纳米颗粒复合材料增强的蔗糖、葡萄糖双功能生物传感器黄智航1李忠彦1刘仲明2（1华南理工大学轻工与食品学院，广州 510641；2广州军区总医院医学实验科，广州 510010）摘要采用憎水纳米二氧化硅溶胶(Nano-SiO2)增稳、亲水纳米金(Nano-Au)溶胶增敏，利用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)包埋，将蔗糖转化酶(INV)、变旋酶(MUT)、葡萄糖氧化酶(GOD)共固定于铂电极表面，通过时间电流法对目标样品中的蔗糖和葡萄糖含量进行测量：响应时间13 s；蔗糖在0～300 mg/L、葡萄糖在0～180 mg/L范围内有良好的线性关系；蔗糖测定回收率为94.84％～105.21％；蔗糖酶膜连续使用寿命约为1个月。

关键词纳米颗粒；复合酶电极；蔗糖；葡萄糖0 前言制糖工业是一个比较老的行业，而锅炉爆管事故在制糖生产中是经常发生的。

锅炉事故产生可由多种因素造成，其中锅炉水的蔗糖含量对其有重大的影响。

在制糖过程的加热、蒸发、结晶等工段都要使用大量的蒸汽。

锅炉的给水绝大部分出于回收利用热能的目的而把来自蒸发的冷凝水循环送入锅炉再产生蒸汽。

糖分可能通过汁汽的雾沫夹带或加热表面的缺损处泄漏到多效蒸发器的冷凝水里面从而带入锅炉。

带入的微量蔗糖等有机物受热浓缩、分解成低分子有机酸和二氧化碳，这些成分新产生的酸性物质与水中阳离子作用形成盐类，使得炉水中含盐量增加，从而导致电导率升高。

电导率升高会引起含杂质的水在传热管结垢和垢下腐蚀。

此外，水垢的产生和增厚常常会引起积垢龟裂，导致裂缝处的管壁和积垢对传热的效率出现差异，酿成爆管等严重事故。

因此，对锅炉水中蔗糖含量的检测对制糖企业的安全正常 生产有重要的意义。

目前锅炉水蔗糖含量的行业安全标准为0～50ppm，而在现有的报道中，在线检测多采用测量电导的方法测量锅炉水微糖含量，由于测量因素实际是灰分而不是蔗糖，检测结果不直接，需作进一步经验推算，检测灵敏度也不高[1-4]，达不到实际生产的要求。