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葡萄糖电化学传感器的研究进展


葡萄糖电化学传感器的研究进展

葡萄糖电化学传感器的研究进展
李传平 200941601040 山东 266071) (青岛大学化学化工与环境学院 摘要

葡萄糖电化学传感器是生物传感器的一种, 是一门由生物、 化学、 医学、

电子技术等多个学科互相渗透建立起来的高新电化学技术, 它是一种将葡萄糖 类酶的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分 析装置。其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进 行在线连续监测的特点, 已在生物、医学、医药、及军事医学等领域显示出广阔 【1】 的应用前景, 引起了世界各国的极大关注。

关键词 葡萄糖电化学传感器 组成特点 研究进展 应用研究
生物传感器是一类特殊的化学传感器, 它是以葡萄糖酶作为生物敏感基元, 对被测目标具有高度选择性的检测器。它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉 目标物与敏感基元之间的反应,然后将反应的程度用离散或连续的电信号表达出 【1】 来, 从而得出被测物的浓度。 1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个葡萄糖传感 器。 将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化,再将此胶体膜固定在隔 膜氧电极的尖端上, 便制成了葡萄糖传感器。 当改用其他的酶或微生物等固化膜, 便可制得检测其对应物的其他传感器。经过40多年的不断发展, 当今的葡萄糖 电化学传感器技术除了临床葡萄糖分析,葡萄糖检测装置也应用于生物技术和食 品工业。这种广泛的应用领域大大促进了葡萄糖电化学传感器的发展和多样化。
[2]

1 葡萄糖电化学生物传感器的基本组成、工作原理、特点 葡萄糖电化学生物传感器一般有两个主要组成部分: 其一是生物分子识别元 件( 感受器) , 是具有分子识别能力的葡萄糖酶类; 其二是信号转换器( 换能 器) , 主要有电化学电极( 如电位、电流的测量) 、光学检测元件、热敏电阻、 场效应晶体管、 压电石英晶体及表面等离子共振器件等。当待测物与分子识别元 件特异性结合后, 所产生的复合物( 或光、 热等) 通过信号转换器变为可以输出 的电信号、光信号等, 从而达到分析检测的目的。 与传统的分析方法相比, 生物传感器这种新的检测手段具有如下优点: ( 1) 生物传感器是由选择性好的生物材料构成的分子识别元件, 因此一般不需要样 品的预处理, 样品中的被测组分的分离和检测同时完成, 且测定时一般不需加 入其它试剂。( 2) 由于它的体积小, 可以实现连续在线监测。( 3)响应快, 样 品用量少, 且由于敏感材料是固定化的,可以反复多次使用。(4) 传感器连同测 定仪的成本远低于大型的分析仪器, 便于推广普及。[3]

2 葡萄糖电化学生物传感器的发展
葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOD),1928年由Muller等发现后,Nekamatsu、 Konelia、Yoshio等先后对其作了大量的研究并投人生产,Fiedurek和Rogalski 等对酶单位的增加做了大量的研究工作, 尤其对葡萄糖氧化酶的辅基一黄素腺嘌 呤二核苷酸(FAD)做了深入的研究,并给出了详细的说明,目前该酶在临床检测 和食品工业有广泛的用途。 葡萄糖传感器就是利用葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖 的专性,检测各种物质中的葡萄糖含量,葡萄糖传感器 在生物和医学上有着极其重要的应用价值。1962年, Clark和Lyons提出将酶与电 极结合,可以通过检测其酶催化反应所消耗的氧来测定葡萄糖的含量。1967年, Updike和Hicks首次研制出以铂(Pt)电极为基体的第一支葡萄糖氧化酶电极,通 过检测酶反应的产物H:0:来测定葡萄糖含量。至此,葡萄糖氧化酶电极经过三 代的发展。第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化酶层:
GODox +葡萄糖→GoD ed+葡萄糖 (1一1)

GODRed + 02→GODox+H202 电极:H202→ 02 + 2H + 2e


(1—2) (1—3)

第二代酶生物传感器是以媒介体修饰剂为基础的电催化 酶层:GODox +葡萄糖— GODRed+葡萄糖酸 (1—4) 修饰层:GODRed+Mox一GODox +MRed (1一5) 第二代葡萄糖氧化酶传感器增加了化学修饰层, 其目的是为了扩大基体电极可测物质范围及 提高测定灵敏度 第三代酶生物传感器是酶在电极上的直接电催化 酶层:GOD +葡萄糖—GoDRed+葡萄糖酸 (1—6) 一 [1] 电极: GODox →GODRed + ne (1 —7)

当今, 随着生物传感器的发展和完善,化学修饰葡萄糖电化学传感器得到迅速发 展。纳米粒子的应用实现了酶在电极上的直接电催化,并通过了电化学方法的检 测。这些电化学传感器 具有高的灵敏度,高的选择性,线性范围宽,响应时间快等优点,可以与光学检测 方法相媲美。 通过对酶的固定化研究,对灵敏度和选择性的深入探讨,基于纳米粒 子的葡萄糖传感器将对葡萄糖的检测将产生巨大的影响。 期望在未来研究中产生 新的基于纳米粒子的电化学检测方法,结合不断产生的新技术,开发出更加高效 的,使用方便的葡萄糖检测装置。将电分析化学理论和方法、生物化学、纳米技 术有机结合起来, 以纳米金磁微粒为固定葡萄糖氧化酶的载体,利用纳米金磁微 粒的优异特性, 探索固定化葡萄糖氧化酶的方法,致力研制新型的复合纳米金磁 微粒修饰的葡萄糖电化学传感器,为纳米增强的新型传感器的研究、制备和应用 提供可供参考的实验和理论依据是未来工作的主要方向[4]。

4.葡萄糖电化学生物传感器的应用
(1)生物医学 葡萄糖电化学传感器在生物医学上的应用十分广泛。 一些具有临床诊断意义的基 质都可以借助葡萄糖电化学生物传感器来检测。 葡萄糖酶传感器首先在美国实用 化,随后日本也将七种酶传感器应用于临床化学分析,只要注入数十微升血液, 1到2分钟便可得到分析结果。 国内已有不少单位开展了这方面工作,如上海医用 分析仪器厂的DL-11型血糖分析仪等。[12] (2)食品、医药工业 Tkac 等将一种以铁氰化物为媒介的葡萄糖氧化酶细胞生物传感器用于测量发酵 工业中的乙醇含量。该生物传感器的检测极限为0.85nmol/L, 测量范围为2到 270nmol/L稳定性能很好。在连续8到5 小时的监测中, 灵敏度没有任何降低。[5] 另外, Niculescu等将一种醌蛋白醇脱氢酶埋在聚乙烯中研制成一种用于检测饮 料中乙醇的生物传感器, 对乙醇的测量极限为1nmol/L, 也可用作酒发酵工业中 乙醇的连续自动在线监测[6]。最近, VIA 医疗公司又研制成功了半连续导管型血 糖测定仪。由于生物传感器具有方便、快捷、选择性高、可用于复杂体系等突出 的优越性, 它在分析仪器市场中所占的份额越来越大, 并已开始大量取代相同 领域内的其它分析产品。[7] (3)环境监测 。 如Dewettinck 等[基于细菌对葡萄糖的新陈代谢作用, 发展了一种新型的葡萄 糖生物传感器, 可在37摄氏度的工作温度下, 利用肠细菌的生长状况来监测pH 值。 该传感器适用于在线监测, 可以作为水处理装置的终端, 其绝对监测极限为

105CFU( 菌落形成单位) /ml h。[8]Leth 等( 2002)以固定化微生物和生物发光 体测量技术为基础, 将弧菌属细菌体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控 制下导入产碱杆菌属细菌中, 可使细菌在铜离子的诱导下发光, 发光程度与离 子浓度成比例。将微生物和光纤一起包埋于聚合物基质中, 可以获得灵敏度高、 选择性好、测量范围宽、储藏稳定性强的生物传感器。这种生物传感器可用于测 污水中的重离子, 最低检测浓度为1nmol/L。[9] 随着生物传感器在环境、 食品、 医药和军事等方面应用范围的扩大, 对生物传感 器提出了更高的要求。为了获得高灵敏度、高稳定性、低成本的生物传感器, 人 们已着力于下面的研究与开发[10]。 [1]中国生物工程杂志;第24 卷第7 期;武宝利 张国梅 高春光 双少敏;生物传 感器的应用研究进展. [2]湖北职业技术学院学报;第10卷第4期;彭颐 胡柏林;纳米材料在葡萄糖电化 学传感器上的应用. [3]化学进展;第7卷第4期;吴礼光 刘默娥;生物传感器研究进展. [4]Electrochemical Glucose Biosensors ; Joseph Wang* ;Chem. Rev. 2008, 108, 814-825 [5]Reach, G.; Wilson, G. S. Anal. Chem. 1992, 64, 381A. [6]Wang, J. Electroanalysis 2001, 13, 983. [7] Clark, L., Jr.; Lyons, C. Ann. NY Acad. Sci. 1962, 102, 29. [8] 司士辉. 生物传感器. 第一版. 北京: 化学工业出版社, 2002 [9]Clark, L., Jr. U.S. Patent 33,539,455, 1970. [10] Updike, S.; Hicks, G. Nature 1967, 214, 986. [11] Guilbault, G.; Lubrano, G. Anal. Chim. Acta 1973, 64, 439. [12]纳米碳管葡萄糖生物传感器的研究胡贵权 ;管文军 ;李 昱;张孝彬;陈裕泉


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