無酶葡萄糖傳感器技術(shù)研究進(jìn)展

肖棹月

摘要

葡萄糖的檢測與分析對人體健康及疾病診斷、治療和控制有著重要作用。因此葡萄糖傳感器的研究一直為化學(xué)與生物傳感器的研究特點(diǎn)。常見的葡萄萄糖電化學(xué)傳感器按是否使用酶分為有酶傳感器和無酶傳感器。有酶傳感器利用酶對底物高效率、轉(zhuǎn)一性和溫和的作用條件對酶進(jìn)行催化，而具有靈敏度高、選擇性好和作用條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。然而酶的活性容易受到外界條件的干擾限制了有酶傳感器的應(yīng)用。而無酶葡萄糖傳感器則能克服這些缺陷，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)葡萄糖監(jiān)測，相比傳統(tǒng)的葡萄糖傳感器，高穩(wěn)定，易于制造而備受關(guān)注。而其電極材料往往具有獨(dú)特的微觀或納米結(jié)構(gòu)，近年來，出現(xiàn)各種各樣的材料包括責(zé)金屬、金屬氧化物、碳納米管、石墨烯、聚合物和復(fù)合材料等。本文通過分析國內(nèi)外在無酶葡萄糖傳感器的電極材料，對無酶葡萄糖傳感技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】生物傳感技術(shù) 電化學(xué) 葡萄糖 檢測

葡萄糖傳感器技術(shù)的開發(fā)可以分為四代。第一代葡萄糖傳感器依賴于在電極上固定一種催化酶，如葡萄糖氧化酶（ GOx）。GOx作為葡萄糖和氧氣反應(yīng)的催化劑。葡萄糖在電極處被氧化，形成葡萄糖內(nèi)脂和過氧化氫。因此可以通過檢測電極產(chǎn)生的過氧化氫量來確定初始樣品中葡萄糖的濃度。然而，這個(gè)反應(yīng)需要氧氣為反應(yīng)介質(zhì)，所以第一代傳感器無法有效地檢測氧氣缺陷樣本。第一代傳感器還存在另一個(gè)問題是血液中存在抗壞血酸、尿酸等電源性物質(zhì)的干擾。

第二代葡萄糖傳感器技術(shù)是使用非生理的人工介質(zhì)，如二茂鐵衍生物、清華貼等去代替第一代氧氣介質(zhì)，同時(shí)促進(jìn)電子傳輸過程。第二代葡萄糖傳感器固然能克服第一代葡萄糖傳感器的一些缺陷，但其性能和靈敏度仍然受介質(zhì)pH變化和電極表面溫度、適度變化的影響。

第三代葡萄糖傳感器技術(shù)是通過在電極上固定一種酶來消除對反應(yīng)介質(zhì)的需要，使電子直接從酶轉(zhuǎn)移到電極。然而第三代葡萄糖傳感器仍因?yàn)槊富钚允軠囟葷穸扔绊懙脑蚴艿较拗啤?/p>

根據(jù)第三代葡萄糖傳感器所遇到的問題，研究人員開始研究不含酶的檢測方法。這就迎來了第四代葡萄糖傳感器技術(shù)一一無酶葡萄糖（NEG）傳感器技術(shù)。它使得葡萄糖在電極表面被直接氧化，克服了前三帶葡萄糖傳感器的一些缺陷。在這篇文章中，我將講述最具影響力的第四代傳感器--NEG傳感器。

1基于金屬和金屬化合物的葡萄糖傳感器

在過去對于基于各種金屬電極的葡萄糖傳感器的研究當(dāng)中表明作用的機(jī)理是在不同的金屬催化劑電極作用下葡萄糖發(fā)生電氧化。

最常見的是基于金屬的葡萄糖傳感器。Pt作為電極利用循環(huán)伏安法，在pH7的環(huán)境下可以觀察到三個(gè)氧化峰，第一個(gè)是化學(xué)吸附和葡萄糖脫氫，第二個(gè)是水的分解產(chǎn)生氫離子和氫氧根離子，第三個(gè)則是由于葡萄糖的氧化。Pt電極材料存在對電極表面積依賴高，降低人體物質(zhì)電活性和選擇性，成本高等缺點(diǎn)。最近也出現(xiàn)了許多方法來克服純鉑電極的缺陷，如Pt的合金，但其存在不穩(wěn)定和氯中毒風(fēng)險(xiǎn)等問題。而出于高度放大的電極區(qū)域，特別是納米級(jí)別的處理可以增強(qiáng)葡萄糖氧化產(chǎn)生的電流，進(jìn)而出現(xiàn)多孔鉑支撐結(jié)構(gòu)，如介孔Pt、高階Pt納米管陣列和納米孔Pt電極等。Au對葡萄糖的氧化反應(yīng)有較高的電催化活性，Auction電極氧化葡萄糖是一個(gè)多步驟的過程，隨著pH的升高氫氧根離子會(huì)被化學(xué)吸附在Au表面形成AuOH這一催化物。然而Au的化學(xué)吸附能力并沒有Pt強(qiáng)，在中性和堿性環(huán)境下，Au表面還會(huì)結(jié)合氨基酸，影響電氧化進(jìn)程，進(jìn)而出現(xiàn)在Au電極表面鍍上原子（Pt，Cu，Ag等）級(jí)別的鍍層的方法。Ni電極材料表面會(huì)在一定電位下立即氧化成氫氧化物狀態(tài)，而不是一個(gè)含水層。此外，根據(jù)Ni電極上的葡萄糖氧化循環(huán)伏安圖可以看出，Ni表面沒有因吸附產(chǎn)生污垢，Ni電極的缺點(diǎn)主要是在酸性或中性條件下無法進(jìn)行電催化以及乙醇的競爭干擾會(huì)影響血糖檢測。為了解決普通Ni電極的這些缺點(diǎn)，出現(xiàn)了高表面積的Ni納米結(jié)構(gòu)材料，如三維多孔Ni納米結(jié)構(gòu)。Cu的電催化作用機(jī)理與Ni相似，而Cu的成本遠(yuǎn)低于Pt和Au，所有出現(xiàn)了許多基于Cu的傳感器，較為常見的使用Cu的泡沫結(jié)構(gòu)，由于其較大的表面積和孔隙體積，提高了葡萄糖的線性檢測范圍和靈敏度。

金屬氧化物具有良好電化學(xué)生物傳感性能，已經(jīng)在NEG傳感器中得到了很好的應(yīng)用，而利用最先進(jìn)的納米制造技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)處具有各種形態(tài)和結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。Cu的氧化物中，Cu0有著高電化學(xué)活性，低成本，無毒且可以用其他材料進(jìn)行修飾改性等優(yōu)點(diǎn)。目前的研究主要圍繞在Cu0納米結(jié)構(gòu)，如Caoet al報(bào)道了將Cu0納米顆粒嵌入到Cu0微纖維的制備方法。其他的幾種金屬氧化物如鎳氧化物、鐵氧化物、鈷氧化物、銀氧化物和釕氧化物也被用于改善NEG傳感器的電化學(xué)性能。

2基于復(fù)合材料的葡萄糖傳感器

最近幾年研究中使用的材料并不是簡單的金屬或者金屬氧化物，而是采用復(fù)合材料或者混合材料，整合不同材料的有利性能，如金屬的導(dǎo)電性大、有機(jī)材料的選擇性高和金屬氧化物的電催化活性高。在最近的研究當(dāng)中，出現(xiàn)了使用合金和雙金屬作為電極配偶劑。電極通常基于金屬，如Pt、Pb、Au、Ag、Pd、Rh、Co、Cu和Ni等組合。一些研究表明二元、三元和較高的Pt/Pb合金復(fù)合材料是最活躍的電催化劑。此外，在非酶法伏安測量中，Pt/Pb合金復(fù)合材料對葡萄糖的催化氧化電位高于純Pt這使得Pt/Pb合金對于干擾物質(zhì)具有更強(qiáng)的電阻性。

3基于碳納米材料的葡萄糖傳感器

碳材料由于其是電化學(xué)惰性物并有著巨大的電子導(dǎo)性，被廣泛用于電化學(xué)生物傳感器的制備。由于納米技術(shù)的興起，許多基于碳的納米材料的NEG傳感器被開發(fā)出來，如碳納米管、碳納米纖維、石墨烯、參雜類金剛石、炭黑和納米金剛石等。

碳納米管（ CNTs）因其具有具有很大的表面積，良好的力學(xué)性能和良好的導(dǎo)電性被廣泛應(yīng)用于各種電子生物傳感器中。而其獨(dú)特的一維空心管狀納米結(jié)構(gòu)能夠使其有效的捕捉和促進(jìn)電子從分析物到電極表面。大多數(shù)基于CNTs的NEG傳感器都是通過與金屬或金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)材料結(jié)合而功能化的。如采用共弧放電法制備的CuO/SWCNT復(fù)合材料比純Cu0或SWCNT傳感器具有更高的葡萄糖檢測能力，常見的還有Mn02/MWNTs納米復(fù)合材料，CuO/MWNTs納米復(fù)合物等。

自石墨烯及其衍生物首次被發(fā)現(xiàn)以來，因其作為電化學(xué)生物傳感器的潛在應(yīng)用引起了極大的關(guān)注。它有三個(gè)主要的電氣特征，首先石墨烯是具有零帶隙的半金屬，其次通過調(diào)節(jié)柵極電壓可以改變石墨烯中電荷載體的類型，第三電荷載流子被識(shí)別為無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，室溫下可以在微米范圍內(nèi)移動(dòng)而不散射。所以石墨烯具有較大表而積、低電荷轉(zhuǎn)移電阻和快速電子傳遞率等特性。并且石墨烯形狀與碳納米館十分相似，可以稱之為為壓縮的碳納米管，因此，與碳納米管相似，功能化石墨烯也可用于金屬納米可以甚至與原子參雜。

4結(jié)論

從本篇綜述中，可以看出大多數(shù)的NEG傳感器的性能取決于電極材料將葡萄糖氧化的能力。目前的研究主要致力于開發(fā)新的電極材料和改進(jìn)電極材料制作過程。早期研究中，Pt、Au、Ni、Cu、和Ag等金屬以及鎳氧化物、鐵氧化物、鈷氧化物和銀氧化物得到了一定的應(yīng)用。而在之后，出現(xiàn)了有著優(yōu)良電催化能力的金屬與金屬或者金屬與金屬化合物的混合物作為電極材料，如合金、金屬/金屬氧化物混合物。聚合物改性復(fù)合材料由于其生物相容性好靈敏度高也被用作電極材料。同時(shí).納米材料的研究也為集成電化學(xué)NEG傳感器帶來希望。

然而，電化學(xué)NEG傳感器還存在許多問題導(dǎo)致其難以商業(yè)化，如生物相容性差，成本高，耗時(shí)長。而在未來的研究方向或許會(huì)是低濃度檢測葡萄糖、通過集成實(shí)現(xiàn)的便攜式傳感器技術(shù)和可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測的植入式傳感器技術(shù)，還可考慮光化學(xué)檢測方法降低噪聲。

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