無酶葡萄糖生物傳感器的研究進(jìn)展*

孫 芳，夏玉國(guó)，張宇鵬，鄭皓心，朱健宇

(1.牡丹江師范學(xué)院;2.黑龍江生物科技職業(yè)學(xué)院)

生物傳感器一般由生物分子識(shí)別元件、換能器和檢測(cè)器3部分構(gòu)成，其中分子識(shí)別元件上的敏感膜內(nèi)含有一種或數(shù)種能與目標(biāo)物進(jìn)行選擇作用的生物活性物質(zhì)(如酶、抗原、抗體、核酸、激素、細(xì)胞器等)，通過換能器可將這些生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電、聲、光等可檢測(cè)的物理信號(hào)，再使用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)將所得的信號(hào)在檢測(cè)器上顯示或記錄下來，由于其信號(hào)大小與分析物含量或濃度存在定量關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的體系中對(duì)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行快速、定量、在線、連續(xù)監(jiān)測(cè)的作用，因此，生物傳感器是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及電子技術(shù)等多學(xué)科相互滲透的綜合產(chǎn)物［1-2］.

生物傳感器不僅可以對(duì)環(huán)境中的染物(如農(nóng)藥、廢水、廢氣等)［3-6］、對(duì)食品中的主要成分(如食品添加劑、有毒物、激素、膽固醇、尿素等)［7-9］進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在臨床診斷和藥物分析中也得到了廣泛的應(yīng)用［10-11］.由于葡萄糖是生命過程中主要的特征化合物，精確分析與檢測(cè)血液中的葡萄糖濃度對(duì)人類的健康以及疾病的診斷、治療和控制有著重要意義;另外，葡萄糖的測(cè)定是發(fā)酵控制的重要依據(jù)，被應(yīng)用于化工和食品工業(yè)的檢測(cè)之中，因此，葡萄糖生物傳感器是最早研制并應(yīng)用的生物傳感器之一.按照電化學(xué)檢測(cè)方法的不同，即電活性物質(zhì)的濃度可以由電位或者電流模式進(jìn)行測(cè)定，葡萄糖生物傳感器可以分為電位型和電流型兩類.電位型生物傳感器是指電極與參比電極間輸出的電位信號(hào)與被測(cè)物質(zhì)之間服從能斯特關(guān)系，這樣葡萄糖與敏感物質(zhì)反應(yīng)會(huì)使得電位發(fā)生變化，從而來檢測(cè)溶液中的葡萄糖;電流型生物傳感器是反應(yīng)所引起的物質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸出，輸出電流大小直接與底物濃度有關(guān).與電位型傳感器相比，電流型生物傳感器具有更簡(jiǎn)單、直觀的效果，且靈敏度較高，是葡萄糖生物傳感器中研究最多的一類［12］.

隨著當(dāng)今納米技術(shù)的高速發(fā)展，納米材料的應(yīng)用已經(jīng)從最基礎(chǔ)的性質(zhì)研究拓展到許多范疇，其中一個(gè)新興的并引起高度關(guān)注的就是其在生物傳感器制備方面的應(yīng)用.納米材料具有比表面積大、表面活性中心多、吸附能力強(qiáng)、表面親水性強(qiáng)等優(yōu)異性質(zhì).研究者將納米材料應(yīng)用到生物電化學(xué)傳感器中，實(shí)現(xiàn)了生物活性物質(zhì)與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移，提高了電化學(xué)生物傳感器的電信號(hào)響應(yīng)靈敏度及穩(wěn)定性.目前，葡萄糖生物傳感器研究最多的還是含酶納米生物傳感器，即利用納米材料比表面積大，表面自由能提高的特點(diǎn)，增強(qiáng)酶等生物活性物質(zhì)在電極表面的吸附;其次，納米材料的宏觀量子隧道效應(yīng)能促進(jìn)酶的氧化還原中心與電極間通過納米粒子進(jìn)行電子傳遞.然而，含酶納米生物傳感器的顯著缺點(diǎn)在于酶的活性會(huì)受到溫度、毒性和pH等環(huán)境因素的影響［13］，從而使酶分析法存在著穩(wěn)定性和重現(xiàn)性差，不宜微型化，大大縮小了含酶納米生物傳感器的應(yīng)用范圍.近年來，科學(xué)家們開始研發(fā)一種新型的、不含酶的納米葡萄糖傳感器體系，利用一些具有催化性質(zhì)的納米材料制備電極、研究其對(duì)葡萄糖的傳感性能，并獲得了一定的成效.目前，主要有以下幾類納米材料被用于無酶葡萄糖傳感器的研制:

(1)基于鉑和金的納米材料構(gòu)建的無酶葡萄糖生物傳感器

鉑和金是無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器中最早使用的電極材料.特別是鉑電極在酸性［14］、中性［15］和堿性［16］溶液中對(duì)葡萄糖的電催化氧化機(jī)理已作了詳細(xì)的研究.但是鉑電極和金電極在電催化氧化葡萄糖方面仍然存在許多不足.首先，在電催化氧化過程，鉑電極和金電極的表面容易吸附中間產(chǎn)物而使電極中毒，需要用其它電化學(xué)方法將吸附在其表面的物質(zhì)除去以獲得新鮮的表面才能繼續(xù)用于分析檢測(cè)，且檢測(cè)靈敏度較低［17，18］，該類電極不能用恒電位計(jì)時(shí)電流法對(duì)葡萄糖進(jìn)行檢測(cè);其次，鉑電極和金電極對(duì)葡萄糖的檢測(cè)缺乏選擇性，很多碳水化合物都可以在相同的電位下在鉑電極及金電極上與葡萄糖一起被催化氧化［19］;另外，該類電極都容易受到氯離子的毒化而喪失對(duì)葡萄糖的電催化氧化活性［19］.由于在鉑電極和金電極上，抗壞血酸、尿酸和醋氨酚等葡萄糖測(cè)定時(shí)的干擾物質(zhì)的電催化氧化僅受電極表觀幾何面積的影響，因此，提高鉑電極和金電極的表面粗糙度可以增加鉑電極和金電極對(duì)葡萄糖的響應(yīng)靈敏度和選擇性［20］.

(2)基于過渡金屬銅、鎳及其化合物的納米材料構(gòu)建的無酶葡萄糖生物傳感器

過渡金屬銅和鎳也被用于葡萄糖電化學(xué)傳感器電極的研制［21-23］.與鉑電極和金電極相比，用銅和鎳制備的電極其優(yōu)點(diǎn)在于可以直接用恒電位計(jì)時(shí)電流法對(duì)溶液中的葡萄糖進(jìn)行檢測(cè)，且電極材料的價(jià)格低廉.在該類電極上，隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，電極表面也將逐漸被腐蝕而鈍化，并且銅電極和鎳電極同樣對(duì)葡萄糖等碳水化合物的電催化氧化沒有選擇性.因此，根據(jù)銅、鎳及其化合物修飾的電極在葡萄糖電化學(xué)檢測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)，人們應(yīng)用各種技術(shù)制備了各種修飾有銅納米顆粒和鎳納米顆粒的修飾電極，以改善該類電極對(duì)葡萄糖的響應(yīng)性能，以期能夠進(jìn)一步改進(jìn)該類電極在葡萄糖檢測(cè)中存在的選擇性和穩(wěn)定性問題，并不斷探索該類電極的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.Liu等人將聚乙烯吡咯烷酮包裹的銅納米顆粒修飾到金電極表面上，在葡萄糖檢測(cè)過程中，由于在電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的銅離子與聚乙烯吡咯烷酮的酰氨基結(jié)合形成絡(luò)合物而避免電極表面的腐蝕和溶解，因而增加了電極的穩(wěn)定性［24］.Zhuang等人用液相法在銅電極表面上合成了氫氧化銅納米線，將該納米線轉(zhuǎn)化為氧化銅納米線后用于無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖的高靈敏度快速檢測(cè)，且具有良好的重現(xiàn)性，并能用于實(shí)際的血糖樣品分析［25］.Sun等人采用電沉積的方法制備出具有類柱狀結(jié)構(gòu)的銅納米薄膜，并將其用于檢測(cè)葡萄糖，檢測(cè)靈敏度高，且檢測(cè)速度快［26］.Zhang等人采用原位還原法制備了氧化亞銅和多壁碳納米管復(fù)合材料，該方法制備簡(jiǎn)單，并且將其修飾在玻碳電極可用于構(gòu)建無酶葡萄糖傳感器［27］.Christopher等人采用水熱法，以聚乙二醇-20000為添加劑制得氧化銅納米棒，并將其應(yīng)用于檢測(cè)碳水化合物和過氧化氫，效果良好［28］.

(3)基于碳納米管修飾電極構(gòu)建的無酶葡萄糖生物傳感器

碳納米管由于具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、大的比表面積和良好的生物親和性，是一種較理想的電極材料，將其經(jīng)過羧基化作為電極使用時(shí)，其優(yōu)良的導(dǎo)電性將會(huì)很好地促進(jìn)生物電活性分子的電子傳遞，是一種良好的傳感器的材料，因此被廣泛的應(yīng)用于構(gòu)建無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器.但單獨(dú)應(yīng)用碳納米管來構(gòu)建電化學(xué)傳感器和生物傳感器仍然存在一定的缺陷，如氧化還原能力不足，靈敏度不夠等.因此，利用碳納米管復(fù)合材料之間的協(xié)同作用來提高電化學(xué)傳感器與生物傳感器的電催化性能，具有十分重要的意義.一方面碳納米管復(fù)合材料具有優(yōu)良的電催化性能，可以作為修飾電極的極佳修飾材料，另一方面，它還具有納米材料的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等性質(zhì)，可以糅合兩種物質(zhì)的性質(zhì)，表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)和性能可設(shè)計(jì)性.目前，利用碳納米管復(fù)合材料之間的協(xié)同作用來發(fā)展和構(gòu)建新的高靈敏度、高選擇性的修飾電極及傳感器已經(jīng)成為碳納米管復(fù)合材料應(yīng)用研究的一個(gè)重要方面.Male K B［29］等人將制備好的銅納米粒子和單壁碳納米管(SWCNTs)在Nafion的作用下超聲分散，所得懸浮液滴到GC電極上，該電極可用于檢測(cè)碳水化合物.Kang Xing［30］等人將多壁碳納米管在Nafion的作用下超聲分散，所得懸浮液滴到GC電極上，然后采用循環(huán)伏安的方法沉積銅納米簇(電解液為0.1M Na2SO4+2.0 mM Cu-SO4)，所制備的Cu-CNTs-GCE電極對(duì)葡萄糖的響應(yīng)時(shí)間短，檢測(cè)限低，靈敏度高，檢測(cè)范圍廣，并且該傳感器的重現(xiàn)性好，抗干擾能力強(qiáng)，可應(yīng)用于無酶葡萄糖傳感器.Li Xin［31］等采用靜電自組裝的方法將多壁碳納米管組織到ITO電極上，再電位階躍沉積Cu，從而組裝得到Cu/CNT/ITO電極，該電極對(duì)葡萄糖有較好的電催化性能，可應(yīng)用于無酶葡萄糖傳感器的開發(fā).Sun Fang［32］等利用電解液中銅離子和羧基化的單壁碳納米管(SWNTs)的吸附作用，采用一步電沉積的方法在ITO基體上制備了Cu/SWNTs納米復(fù)合薄膜，該方法只需要較低的電壓，不同于需要高壓的電泳沉積，電化學(xué)測(cè)試表明Cu/SWNTs/ITO電極對(duì)葡萄糖有較好的電催化性能并且可用于構(gòu)建無酶葡萄糖生物傳感器.

隨著生物科技的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的含酶生物傳感器由于酶等生物活性物質(zhì)的活性會(huì)受到溫度、pH及毒性等環(huán)境因素的影響，已經(jīng)不能符合現(xiàn)代生物科技的要求.目前，無酶生物傳感器的制備和應(yīng)用成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn).近年來，納米材料以其比表面積大、表面自由能高等優(yōu)點(diǎn)，在生物技術(shù)和生物化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們極大的關(guān)注，科學(xué)家們開始將納米材料用于制備無酶生物傳感器，各種鉑及金的納米多孔結(jié)構(gòu)、鉑納米管陣列、金及鉑納米顆粒、過渡金屬銅、鎳及其氧化物納米顆粒、碳納米管基復(fù)合材料等修飾的電極都被用于無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器修飾電極的研制，大大提高了傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，開啟了生物傳感器系統(tǒng)的新時(shí)代，為無酶葡萄糖生物傳感器的研制注入了新的活力［33-36］.

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