電化學(xué)葡萄糖傳感器研究進(jìn)展

吳愛(ài)坪

摘 要：電化學(xué)傳感器法檢測(cè)葡萄糖是葡萄糖檢測(cè)的常見方法，廣泛應(yīng)用于臨床檢測(cè)、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(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)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(cè)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(cè)試條對(duì)病人血液、尿液或是唾液中的葡萄糖進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)微生物的發(fā)酵過(guò)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(cè)工業(yè)廢水中葡萄糖的含量。采用電化學(xué)傳感器檢測(cè)葡萄糖，其線性檢測(cè)范圍寬、靈敏度高、成本比較低，近年來(lái)，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?jìng)鞲衅?/p>

酶?jìng)鞲衅饕话闶怯晒潭ɑ负碗姌O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(cè)。用于葡萄糖檢測(cè)的酶常為葡萄糖氧化酶。根據(jù)檢測(cè)過(guò)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(cè)過(guò)氧化氧的濃度和氧濃度可實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的檢測(cè)。張彥等采用殼聚糖固定化葡萄糖氧化酶生物傳感器測(cè)定葡萄糖的含量，通過(guò)電極檢測(cè)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(cè)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(cè)環(huán)境的影響，如氧氣不足時(shí)，難以對(duì)高濃度的血糖進(jìn)行測(cè)定；雙氧水濃度過(guò)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(guò)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?jìng)鞲衅魇苎鯕庀拗频娜秉c(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(guó)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(duì)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(cè)定[4]。

1.3 無(wú)介體傳感器

其主要特點(diǎn)就是不經(jīng)過(guò)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(wú)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(wú)介質(zhì)傳感器的研究熱點(diǎn)。通常主要通過(guò)將酶共價(jià)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(guò)葡萄糖氧化酶的直接電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)葡萄糖的檢測(cè)[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(cè)，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?jìng)鞲衅?/p>

酶的活性容易受到外界環(huán)境影響這一缺點(diǎn)限制了酶?jìng)鞲衅鞯膽?yīng)用，通過(guò)在電極上修飾對(duì)葡萄糖有催化作用的材料構(gòu)建非酶葡萄糖傳感器越來(lái)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(lái)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(duì)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(cè)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(guò)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(wú)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(guó)等制備的修飾過(guò)氧化聚吡咯膜的微鎳電極用于葡萄糖的檢測(cè)，有效的減少了常見的干擾物質(zhì)（如抗壞血酸、尿酸）對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，提高修飾電極的穩(wěn)定性[10]。

3 結(jié)束語(yǔ)

酶?jìng)鞲衅骶哂懈叨鹊膶Ｒ恍裕敲競(jìng)鞲衅骶邆淞己玫姆€(wěn)定性，兩者均具備自己的優(yōu)勢(shì)，無(wú)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(zhǎng)期檢測(cè)。未來(lái)在酶?jìng)鞲衅鞯拿傅幕钚员３旨胺敲競(jìng)鞲衅鞯膶Ｒ恍缘确矫娴难芯繉?huì)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(cè)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(guó)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(guó)科學(xué)（B輯），2003，33（6）：511-518.

[6]Xinhuang Kang，等.Glucose Oxidase-graphene-chitosan modified e

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[7]丁海云，等.納米銅修飾玻碳電極的制備及其對(duì)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(wú)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(guó)，等.高選擇性的鎳基無(wú)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.