酶電極中酶固定化方法的研究進展

王冕+李威

摘 要：酶修飾電極是最常用更是最早開發出來的生物傳感器，而酶電極法也深受有機分析、生化分析和藥物分析工作者青睞，而酶固定化作為酶電極的核心技術也一直以來受到科研人員的關注。據此，主要對酶電極中酶固定化技術這一領域近年來的研究成果進行綜述。

關鍵詞：酶修飾電極；固定化酶；研究進展

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.20.102

1 緒論

酶電極是將游離的活性酶固定在基體電極的表面，通過相應的酶促反應來對待測物的濃度進行測量，而且按照基體電極所得的不同信號可將酶電極區分為電流型和電位型兩種類別。世界上第一個酶電極的誕生需要追溯到1956年Clark提出把酶與電極結合在一起的猜想，并在1962年證實了葡萄糖氧化酶與氧電極結合在一起并對葡萄糖進行檢測的可行性。酶電極法因為其擁有著反應速度快、選擇性好和制作簡便經濟的特點深受有機分析、生化分析和藥物分析工作者的青睞。

酶是一種具有生物催化功能的高分子物質，化學本質是大多為蛋白質，其本身可被微生物所降解，而且酶還擁有較好的選擇性和催化活性，是一種綠色而又高效的催化劑。不過游離狀態下的酶對外界環境十分敏感，酶的性質不穩定，在一些極端環境下容易失活，并且蛋白質分子較小，容易在催化反應之后混入一些雜質，這讓反應之后對產物的提純造成了一定的麻煩，所以為了克服以上游離狀態下的酶所出現的問題，就出現了酶固定化技術。

酶固定化是指使用材料把游離狀態下活性酶限制在一定范圍內，但依舊保證酶具有催化能力，而且使酶更容易被回收和可以反復利用的一種新技術。與游離狀態下的酶和天然酶相比，固定化酶除了在穩定性、活力與選擇性上得到了提升之外，固定化還能使酶促反應過程得到更加嚴格的控制同時使酶更容易與底物分開。

本文介紹了酶電極和固定化酶的一些基本信息，重點對制作酶電極的關鍵技術酶的固定進行了討論。對包括吸附固定、包埋固定、共價鍵合固定和交聯固定的傳統酶固定方法和一些新型酶固定方法例如納米技術處理、靜電紡絲和磁處理進行了介紹并進一步對各種固定方法的優缺點進行了探討。

2 傳統酶固定化方法

2.1 吸附固定

吸附固定主要是通過范德華力、親核作用和氫鍵等作用力，把酶固定到合適的載體上或是直接固定于電極表面。這種方法操作簡單，在溫和條件下即可完成固定過程，最重要的是跟其他酶固定化方法相比，這種方法沒有涉及化學修飾，在很大程度上保持酶的活力，但也是因為這種方式只是單純地使酶吸附在載體之上，使通過這種方法得到的固定化酶因為與載體相互作用較弱而極易從載體中脫落。李賽等在鈦絲基體上沉積了一層納米級的二氧化鈦（TiO2）的多孔膜，再把尿素酶直接吸附在二氧化鈦膜上，基于二氧化鈦膜對PH的響應，制造出了一種廉價、易微型化的PH敏感的尿素酶修飾電極。李文娟等使用靜電吸附的固定方法將辣根過氧化物酶固定于以氨基苯磺酸電聚合膜為基底，使用層層靜電組裝技術固定納米金和多層天青Ⅰ所制備的復合薄膜上，從而制得過氧化氫酶修飾電極。該酶修飾電極1.5mmol/L的米氏常數說明在電極上所固定的酶具有較高的生物活性。

2.2 交聯固定

交聯固定通過讓酶分子與雙（多）功能交聯試劑反應讓酶分子內部或酶分子間發生交聯，以形成不溶于水的三維交聯體最后附著在固體表面而達到使酶固定的方法。這種方法的優點是所形成的生物組分的固定比較牢固，不易脫落，使用壽命較長，不過缺點是反應比較難以控制，反應中交聯劑的量和溶液的pH值等各個步驟都需要小心地控制。畢春元等用戊二醛把吡喃糖氧化酶固定于醋酸纖維素載體的膜上，制備出電流型電化學酶修飾電極。測試結果表明，該酶電極對木糖和葡萄糖都有著杰出的響應特征。黃曉東等以殼聚糖作為固酶基質，以在玻碳電極上電聚合的甲苯銨藍為電子的傳遞介體，以戊二醛為交聯劑將葡萄糖氧化酶在真空狀況下固定在被甲苯胺藍修飾的玻碳電極表面，制成葡萄糖氧化酶修飾電極。這種酶修飾電極的選擇性很好，即便在尿酸、抗壞血酸以及磷酸等一些成分浮渣的溶液中，也可以獲得較為準確的數據。

2.3 包埋固定

包埋固定其實就是指將酶包埋在聚合物或是凝膠的微囊結構或者格子結構中，這種方法不僅讓底物可以滲透到格子里與酶接觸與其發生酶促反應，同時還可以有效地減少酶蛋白的流失。因為在包埋過程中酶蛋白一般沒有發生氨基酸殘基的結合反應，所以其本身的高級結構可以說沒有發生任何變化，酶本身的特征也得以比較完好的保留下來，不過包埋的過程中總是伴隨著化學聚合反應，這容易使酶的活性喪失，所以以包埋法固定酶需要注意反應條件，在反應的過程中應盡量避免發生化學聚合。韓恩等使用被聚二烯丙基二甲基氯化鈉（ PDDA）功能化的碳納米管采取包埋的方法將酪氨酸酶固載在玻碳電極的表面，以莠去津農藥對酪氨酸酶的抑制作用為作用原理，構建了一種可以快速對莠去津農藥進行檢測的酶修飾電極。而謝德明等人利用殼聚糖以包埋固定的方式固定 TCNQ和乙酰膽堿酯酶到泡沫鎳載體的表面，制備出 TCNQ/乙酰膽堿酯酶修飾電極，通過后期測試表明，當殼聚糖溶液和 TCNQ丙酮溶液混合比例為1.5∶1和殼聚糖溶液與乙酰膽堿酯酶溶液的混合比例為1∶1時，乙酰膽堿酯酶修飾電極的性能最好。

2.4 共價鍵和固定

共價鍵和固定法是以共價固定的方式把酶固定到契合的載體上，共價鍵和固定法主要有兩種類型：一種是讓酶上的有關基團與載體上經過活化的有關基團進行偶聯；另一種則是讓酶先與雙功能發生偶聯，再將發生偶聯的雙功能試劑連接到載體上，在這之中最常用的雙功能試劑為戊二醛。與其他固定化酶和天然的未經過固定化的酶相比，經共價鍵和的固定化酶的性能如選擇性、穩定性和活力都有著顯著的提升。牛真真等人制備了以硫堇、納米金和對氨基苯丙酸（4-ABA）共價鍵和葡萄糖氧化酶的新型酶修飾電極。這種葡萄糖氧化酶修飾電極是通過把醛基化的葡萄糖氧化酶跟硫堇和半胱氨酸以共價鍵和的形式層層組裝于玻碳電極的表面，將氧化酶與硫堇所構造出的酶自組裝多層膜當作葡萄糖的生物傳感界面使用。這種方法簡單易行，雙層的膜電極的共價鍵高度穩定，納米金粒子的加入，使電極表面酶的固載量增加，也改善了電極界面電子傳遞的能力，使這種酶修飾電極具有較低的檢出限，而且該酶修飾電極的線性范圍也有所提升。任群翔等同樣利用共價鍵和的方法將葡萄糖氧化酶固定于基體電極表面，不過他們在固定過程中加入了石墨烯，這讓電極比表面積增加，從而提高了氧化酶在基體電極表面的固載量。endprint

以上幾種傳統的酶固定化方法各有其優缺點，在現實的應用中，可按照實際情況和具體要求采納此中任意一種固定化方法，有時也可以同時將兩種或者數種固定化方法進行聯用。馬立輝等人為了實現精確而又快速地對發酵酒中尿素的含量進行檢測，以明膠與殼聚糖為包埋材料，透析膜為載體，把戊二醛作為交聯劑，用包埋、吸附和交聯三種固定化方法聯用，制作了固定化的脲酶膜，最后修飾到銨離子選擇電極上，所得的酶修飾電極具備對發酵酒中的尿素進行準確而又快速測定的能力。此酶修飾電極的每片脲酶膜都可以進行多次測量，并且是可更換的，這使測量的成本降低。而且這種酶修飾可在酸性的環境下對發酵酒中尿素含量的進行快速檢測，這為控制發酵酒的營養、質量以及食用安全提供了有力的技術支撐。

3 新型酶固定化方法

3.1 納米處理

納米技術處理是指利用酶與納米材料相結合，制備成納米固定化酶，因為納米材料特殊的理化性質，使用納米技術處理的固定化酶在酶的活性上有著很大提升，酶本身的理化性質得到了優化，在酶促反應中的速度得到提高，其穩定性也得到了改善，進而將酶利用率與生產效率提高。施賽花為了使酪氨酸酶的活性獲得提高，將碳納米管引入到酪氨酸酶膜所修飾的電極上，這一舉動還加快了電極反應的速度，電極響應的強度也得到加強，這讓該酪氨酸酶膜修飾電極的靈敏度比普通的酪氨酸酶膜修飾電極增大了5倍。這為在水環境中對痕量酚進行測定提供了一種靈敏、穩定又簡單高效的測定方法。劉洋等將 Au/ TiO2納米復合材料修飾于針型 Pt電極上，再將葡萄糖以戊二醛作為交聯劑固定在此修飾電極之上，最后在酶電極上用5%Nafion乙醇溶液涂膜形成高分子保護膜，所制備的酶修飾電極具有可植入使用的特點。作為一種可植入器件的雛形，該酶修飾電極有望在將來發展成為有現實應用前景的臨床檢測裝備。

3.2 磁處理

磁處理就是在固定的過程中使用具有磁響應性的材料進行固定利，這種固定方法所得到的固定化酶也具有磁相應性，只需要在外環境中給與磁場便可以簡便地對酶進行回收。而磁性載體可以將磁性氧化物四氧化三鐵、聚苯乙烯還有含醛基的聚合物等載體在一起溶解混合后，再將溶劑除去以此得到磁性載體，或者直接使用內部含有磁性物質的具有磁響應性的超細粉末磁性高分子微球做磁性載體。中國專利 CN101329296 A（2008）把碳納米管超聲分散到含二價和三價鐵離子的殼聚糖酸水溶液里，制備出由殼聚糖、碳納米管和四氧化三鐵構成具有磁響應性的三組分納米復合材料，然后以戊二醛作為交聯劑，依靠葡萄糖氧化酶的伯氨基與其交聯，將其固定到所制備的磁性納米復合材料表面。

4 展望

最近的幾十年來，酶的固定化方法因為一些新的技術和材料的加入所以得到很好的發展和完善，而且與一些傳統方法固定所得到的固定化酶相比，使用新型固定化技術所制作出來的固定化酶有著更強的催化活力而且酶的性質更加穩定。但是在酶電極中酶固定法研究的現階段，仍然有許多問題需要我們去解決，比如說大多是酶固定方法所需的條件都需要在實驗室里才能達到，還不能做到大規模制備。酶固定化作為酶電極的核心技術，在此后的研究中仍然會是這個方面的研究重點和熱點。研究和探索新的酶固定化技術，延長固定化酶的半衰期、提高活力回收率、優化酶固定化時所需條件和降低固定化酶的制備成本將會成為固定化酶領域今后主要的研究方向。

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