電化學(xué)葡萄糖傳感器研究進(jìn)展

吳愛坪

摘 要：電化學(xué)傳感器法檢測葡萄糖是葡萄糖檢測的常見方法，廣泛應(yīng)用于臨床檢測、食品生產(chǎn)、生物技術(shù)、發(fā)酵控制等領(lǐng)域，文章介紹了葡萄糖電化學(xué)傳感器的常見類型及其工作原理，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡單分析。

關(guān)鍵詞：葡萄糖；電化學(xué)傳感器；研究分析

葡萄糖檢測在醫(yī)學(xué)、食品、生物技術(shù)及工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如在醫(yī)學(xué)上，常用電化學(xué)葡萄糖檢測試條對病人血液、尿液或是唾液中的葡萄糖進(jìn)行檢測，從而指導(dǎo)飲食調(diào)節(jié)或是調(diào)整糖尿病用藥，有助于糖尿病病情的治療與控制；在食品方面，葡萄糖常見的碳水化合物，分析食品中（如飲料、果汁等飲品中）的葡萄糖含量也十分必要；葡萄糖含量的多少對微生物的發(fā)酵過程也有一定的影響；此外葡萄糖電化學(xué)傳感器也用于檢測工業(yè)廢水中葡萄糖的含量。采用電化學(xué)傳感器檢測葡萄糖，其線性檢測范圍寬、靈敏度高、成本比較低，近年來，獲得快速發(fā)展，已成為目前研究和應(yīng)用最多的生物傳感器。

1 電化學(xué)酶傳感器

酶傳感器一般是由固定化酶和電極組合構(gòu)建而成。利用酶的高度專一性及催化性，將酶作為生物傳感器的敏感元件，從而實(shí)現(xiàn)生物分子，如糖類、醇類、有機(jī)酸化合物、氨基酸化合物的濃度檢測。用于葡萄糖檢測的酶常為葡萄糖氧化酶。根據(jù)檢測過程中傳感器的電荷傳遞機(jī)理不同，主要有以下幾種類型的電流型葡萄糖傳感器。

1.1 氧氣作為電子傳遞介體

在葡萄糖氧化酶存在的條件下，葡萄糖和氧氣反應(yīng)生成葡萄糖酸和雙氧水，葡萄糖濃度的變化與雙氧水或是氧氣的濃度變化成線性關(guān)系。采用電化學(xué)方法檢測過氧化氧的濃度和氧濃度可實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的檢測。張彥等采用殼聚糖固定化葡萄糖氧化酶生物傳感器測定葡萄糖的含量，通過電極檢測氧氣消耗量，并依據(jù)反應(yīng)中消耗的氧氣與葡萄糖的濃度成正比的關(guān)系，建立了檢測葡萄糖含量的電化學(xué)方法[1]。由于這類傳感器借助于中間物質(zhì)氧氣或是雙氧水，極易受檢測環(huán)境的影響，如氧氣不足時，難以對高濃度的血糖進(jìn)行測定；雙氧水濃度過高還容易導(dǎo)致酶的失活[2]。

1.2 利用電子媒介體代替氧氣作為電子受體

電子媒介體，是指能將酶反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電子從酶反應(yīng)中心轉(zhuǎn)移到電極表面，從而使電極產(chǎn)生相應(yīng)電流變化的分子導(dǎo)電體。其克服了葡萄糖酶傳感器受氧氣限制的缺點(diǎn)。電子媒介體能夠使電子在酶的氧化還原中心與工作電極表面之間進(jìn)行快速、往復(fù)傳遞。常見的電子媒介體有有機(jī)染料、二茂鐵及其衍生物、醌及其衍生物、四硫富瓦烯、富勒烯及導(dǎo)電有機(jī)鹽等。陳國松等用電子媒介體硒雜二茂鐵制備得到的葡萄糖電極[3]；莫昌莉等以蔡酚綠B為介體制備葡萄糖傳感器，加入葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液前后對蔡酚綠B進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，根據(jù)蔡酚綠B氧化峰的電流值與葡萄糖濃度成正比從而實(shí)現(xiàn)葡萄糖的定量測定[4]。

1.3 無介體傳感器

其主要特點(diǎn)就是不經(jīng)過酶與電極間電子交換，酶自身與電極之間直接進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移。由于氧化還原活性中心深埋在葡萄糖氧化酶的分子內(nèi)部，電子無法與電極表面以足夠快速率進(jìn)行轉(zhuǎn)移，因此增強(qiáng)電子轉(zhuǎn)移速度、縮短其與電極的距離是無介質(zhì)傳感器的研究熱點(diǎn)。通常主要通過將酶共價鍵合在修飾電極表面、或?qū)⒚腹潭ㄔ趯?dǎo)電聚合物修飾電極表面，達(dá)到酶催化反應(yīng)的專一和高效。蔡稱心等利用吸附的方法將葡萄糖氧化酶固定到CNT/GC電極表面， 形成GOx-CNT/GC 電極，通過葡萄糖氧化酶的直接電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)葡萄糖的檢測[5]，Xinhuang Kang 等采用葡萄糖氧化酶-石墨烯-殼聚糖修飾電極實(shí)現(xiàn)葡萄糖的直接電化學(xué)檢測，借助于石墨烯的高比表面積和高導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)葡萄糖氧化酶在電極表面的高吸附量，并加快了葡萄糖氧化酶與電極之間的電子傳遞速度[6]。

2 電化學(xué)非酶傳感器

酶的活性容易受到外界環(huán)境影響這一缺點(diǎn)限制了酶傳感器的應(yīng)用，通過在電極上修飾對葡萄糖有催化作用的材料構(gòu)建非酶葡萄糖傳感器越來越引起人們的關(guān)注。常見的用于構(gòu)建非酶葡萄堂傳感器的材料主要有金屬納米材料如Au、Ag、Pt等、金屬合金如Pt-Pb、金屬納米氧化物納米CuO等、碳納米管、石墨烯、聚合物膜、水滑石等。非酶葡萄糖傳感器克服了酶容易失活這一缺點(diǎn)，表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性及穩(wěn)定性。

納米材料由于其尺寸效應(yīng)等具備良好的催化性能，越來越廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器的研究中。丁海云等將制備了Cu納米粒子修飾電極， 其與大粒徑的Cu粒子修飾電極相比較，Cu納米粒子修飾電極對葡萄糖的檢出限更低[7]，羅立強(qiáng)等制備氧化銅-石墨烯納米復(fù)合物修飾電極，測定人血清樣品，其結(jié)果與生化分析儀得出的結(jié)果基本一致[8]。特殊形狀的納米結(jié)構(gòu)性能更佳，王蕊通過電沉積的方法在金電極表面制備了具有三維Pt-Pb“納米花”狀納米結(jié)構(gòu)，其電活性面積和電催化活性都有極大的提高，且穩(wěn)定性和選擇性也很好[9]。黃新堂等制備鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極CN101598697A。

電極表面的聚合物膜可以消除干擾，提高電極選擇性。俞建國等制備的修飾過氧化聚吡咯膜的微鎳電極用于葡萄糖的檢測，有效的減少了常見的干擾物質(zhì)（如抗壞血酸、尿酸）對檢測結(jié)果的干擾，提高修飾電極的穩(wěn)定性[10]。

3 結(jié)束語

酶傳感器具有高度的專一性，非酶傳感器具備良好的穩(wěn)定性，兩者均具備自己的優(yōu)勢，無論哪種傳感器，其最終目的是實(shí)現(xiàn)葡萄糖傳感器的高效、專一、長期檢測。未來在酶傳感器的酶的活性保持及非酶傳感器的專一性等方面的研究將會是葡萄糖電化學(xué)傳感器的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張彥，等.殼聚糖固定化葡萄糖氧化酶生物傳感器測定葡萄糖的含量[J].分析化學(xué)，2009，37（7）：1049-1052.

[2]Guilbault G Q Lubrano G G. An enzyme electrode for amperometric determination of glucose[J].Analytica ChimicaActa，1973，64（3）：439-455.

[3]陳國松，等.CN102297886A[P].2011

[4]莫昌莉，等.以蔡酚綠B為介體的葡萄糖生物傳感器[J].化學(xué)傳感器，2003，23（1）：26-31.

[5]蔡稱心，等.碳納米管修飾電極上葡萄糖氧化酶的直接電子轉(zhuǎn)移[J].中國科學(xué)（B輯），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.納米銅修飾玻碳電極的制備及其對葡萄糖的催化氧化[J].分析化學(xué)，2008，36（6）：839～842.

[8]羅立強(qiáng)，等.CN102520035A[P].2012.

[9]王蕊.Pt-Pb納米花修飾無酶葡萄糖傳感器的研究[D].天津大學(xué)材料學(xué)院，2010.

[10]俞建國，等.高選擇性的鎳基無酶葡萄糖微傳感器的研制及應(yīng)用[J].分析化學(xué)，2008，36（9）：1201-1206.