无酶葡萄糖生物传感器的研究进展*

孙 芳，夏玉国，张宇鹏，郑皓心，朱健宇

(1.牡丹江师范学院;2.黑龙江生物科技职业学院)

生物传感器一般由生物分子识别元件、换能器和检测器3部分构成，其中分子识别元件上的敏感膜内含有一种或数种能与目标物进行选择作用的生物活性物质(如酶、抗原、抗体、核酸、激素、细胞器等)，通过换能器可将这些生物活性表达的信号转换为电、声、光等可检测的物理信号，再使用现代微电子和自动化仪表技术将所得的信号在检测器上显示或记录下来，由于其信号大小与分析物含量或浓度存在定量关系，从而实现在复杂的体系中对待测物质进行快速、定量、在线、连续监测的作用，因此，生物传感器是生物学、医学、电化学、光学、热学及电子技术等多学科相互渗透的综合产物［1-2］.

生物传感器不仅可以对环境中的染物(如农药、废水、废气等)［3-6］、对食品中的主要成分(如食品添加剂、有毒物、激素、胆固醇、尿素等)［7-9］进行监测，在临床诊断和药物分析中也得到了广泛的应用［10-11］.由于葡萄糖是生命过程中主要的特征化合物，精确分析与检测血液中的葡萄糖浓度对人类的健康以及疾病的诊断、治疗和控制有着重要意义;另外，葡萄糖的测定是发酵控制的重要依据，被应用于化工和食品工业的检测之中，因此，葡萄糖生物传感器是最早研制并应用的生物传感器之一.按照电化学检测方法的不同，即电活性物质的浓度可以由电位或者电流模式进行测定，葡萄糖生物传感器可以分为电位型和电流型两类.电位型生物传感器是指电极与参比电极间输出的电位信号与被测物质之间服从能斯特关系，这样葡萄糖与敏感物质反应会使得电位发生变化，从而来检测溶液中的葡萄糖;电流型生物传感器是反应所引起的物质量的变化转变成电流信号输出，输出电流大小直接与底物浓度有关.与电位型传感器相比，电流型生物传感器具有更简单、直观的效果，且灵敏度较高，是葡萄糖生物传感器中研究最多的一类［12］.

随着当今纳米技术的高速发展，纳米材料的应用已经从最基础的性质研究拓展到许多范畴，其中一个新兴的并引起高度关注的就是其在生物传感器制备方面的应用.纳米材料具有比表面积大、表面活性中心多、吸附能力强、表面亲水性强等优异性质.研究者将纳米材料应用到生物电化学传感器中，实现了生物活性物质与电极之间的直接电子转移，提高了电化学生物传感器的电信号响应灵敏度及稳定性.目前，葡萄糖生物传感器研究最多的还是含酶纳米生物传感器，即利用纳米材料比表面积大，表面自由能提高的特点，增强酶等生物活性物质在电极表面的吸附;其次，纳米材料的宏观量子隧道效应能促进酶的氧化还原中心与电极间通过纳米粒子进行电子传递.然而，含酶纳米生物传感器的显著缺点在于酶的活性会受到温度、毒性和pH等环境因素的影响［13］，从而使酶分析法存在着稳定性和重现性差，不宜微型化，大大缩小了含酶纳米生物传感器的应用范围.近年来，科学家们开始研发一种新型的、不含酶的纳米葡萄糖传感器体系，利用一些具有催化性质的纳米材料制备电极、研究其对葡萄糖的传感性能，并获得了一定的成效.目前，主要有以下几类纳米材料被用于无酶葡萄糖传感器的研制:

(1)基于铂和金的纳米材料构建的无酶葡萄糖生物传感器

铂和金是无酶葡萄糖电化学传感器中最早使用的电极材料.特别是铂电极在酸性［14］、中性［15］和碱性［16］溶液中对葡萄糖的电催化氧化机理已作了详细的研究.但是铂电极和金电极在电催化氧化葡萄糖方面仍然存在许多不足.首先，在电催化氧化过程，铂电极和金电极的表面容易吸附中间产物而使电极中毒，需要用其它电化学方法将吸附在其表面的物质除去以获得新鲜的表面才能继续用于分析检测，且检测灵敏度较低［17，18］，该类电极不能用恒电位计时电流法对葡萄糖进行检测;其次，铂电极和金电极对葡萄糖的检测缺乏选择性，很多碳水化合物都可以在相同的电位下在铂电极及金电极上与葡萄糖一起被催化氧化［19］;另外，该类电极都容易受到氯离子的毒化而丧失对葡萄糖的电催化氧化活性［19］.由于在铂电极和金电极上，抗坏血酸、尿酸和醋氨酚等葡萄糖测定时的干扰物质的电催化氧化仅受电极表观几何面积的影响，因此，提高铂电极和金电极的表面粗糙度可以增加铂电极和金电极对葡萄糖的响应灵敏度和选择性［20］.

(2)基于过渡金属铜、镍及其化合物的纳米材料构建的无酶葡萄糖生物传感器

过渡金属铜和镍也被用于葡萄糖电化学传感器电极的研制［21-23］.与铂电极和金电极相比，用铜和镍制备的电极其优点在于可以直接用恒电位计时电流法对溶液中的葡萄糖进行检测，且电极材料的价格低廉.在该类电极上，随着电化学反应的进行，电极表面也将逐渐被腐蚀而钝化，并且铜电极和镍电极同样对葡萄糖等碳水化合物的电催化氧化没有选择性.因此，根据铜、镍及其化合物修饰的电极在葡萄糖电化学检测中的优缺点，人们应用各种技术制备了各种修饰有铜纳米颗粒和镍纳米颗粒的修饰电极，以改善该类电极对葡萄糖的响应性能，以期能够进一步改进该类电极在葡萄糖检测中存在的选择性和稳定性问题，并不断探索该类电极的实际应用价值.Liu等人将聚乙烯吡咯烷酮包裹的铜纳米颗粒修饰到金电极表面上，在葡萄糖检测过程中，由于在电化学反应中产生的铜离子与聚乙烯吡咯烷酮的酰氨基结合形成络合物而避免电极表面的腐蚀和溶解，因而增加了电极的稳定性［24］.Zhuang等人用液相法在铜电极表面上合成了氢氧化铜纳米线，将该纳米线转化为氧化铜纳米线后用于无酶葡萄糖电化学传感器的研制，实现了对葡萄糖的高灵敏度快速检测，且具有良好的重现性，并能用于实际的血糖样品分析［25］.Sun等人采用电沉积的方法制备出具有类柱状结构的铜纳米薄膜，并将其用于检测葡萄糖，检测灵敏度高，且检测速度快［26］.Zhang等人采用原位还原法制备了氧化亚铜和多壁碳纳米管复合材料，该方法制备简单，并且将其修饰在玻碳电极可用于构建无酶葡萄糖传感器［27］.Christopher等人采用水热法，以聚乙二醇-20000为添加剂制得氧化铜纳米棒，并将其应用于检测碳水化合物和过氧化氢，效果良好［28］.

(3)基于碳纳米管修饰电极构建的无酶葡萄糖生物传感器

碳纳米管由于具有优良的导电性、大的比表面积和良好的生物亲和性，是一种较理想的电极材料，将其经过羧基化作为电极使用时，其优良的导电性将会很好地促进生物电活性分子的电子传递，是一种良好的传感器的材料，因此被广泛的应用于构建无酶葡萄糖电化学传感器.但单独应用碳纳米管来构建电化学传感器和生物传感器仍然存在一定的缺陷，如氧化还原能力不足，灵敏度不够等.因此，利用碳纳米管复合材料之间的协同作用来提高电化学传感器与生物传感器的电催化性能，具有十分重要的意义.一方面碳纳米管复合材料具有优良的电催化性能，可以作为修饰电极的极佳修饰材料，另一方面，它还具有纳米材料的表面效应、量子尺寸效应等性质，可以糅合两种物质的性质，表现出显著的协同效应和性能可设计性.目前，利用碳纳米管复合材料之间的协同作用来发展和构建新的高灵敏度、高选择性的修饰电极及传感器已经成为碳纳米管复合材料应用研究的一个重要方面.Male K B［29］等人将制备好的铜纳米粒子和单壁碳纳米管(SWCNTs)在Nafion的作用下超声分散，所得悬浮液滴到GC电极上，该电极可用于检测碳水化合物.Kang Xing［30］等人将多壁碳纳米管在Nafion的作用下超声分散，所得悬浮液滴到GC电极上，然后采用循环伏安的方法沉积铜纳米簇(电解液为0.1M Na2SO4+2.0 mM Cu-SO4)，所制备的Cu-CNTs-GCE电极对葡萄糖的响应时间短，检测限低，灵敏度高，检测范围广，并且该传感器的重现性好，抗干扰能力强，可应用于无酶葡萄糖传感器.Li Xin［31］等采用静电自组装的方法将多壁碳纳米管组织到ITO电极上，再电位阶跃沉积Cu，从而组装得到Cu/CNT/ITO电极，该电极对葡萄糖有较好的电催化性能，可应用于无酶葡萄糖传感器的开发.Sun Fang［32］等利用电解液中铜离子和羧基化的单壁碳纳米管(SWNTs)的吸附作用，采用一步电沉积的方法在ITO基体上制备了Cu/SWNTs纳米复合薄膜，该方法只需要较低的电压，不同于需要高压的电泳沉积，电化学测试表明Cu/SWNTs/ITO电极对葡萄糖有较好的电催化性能并且可用于构建无酶葡萄糖生物传感器.

随着生物科技的高速发展，传统的含酶生物传感器由于酶等生物活性物质的活性会受到温度、pH及毒性等环境因素的影响，已经不能符合现代生物科技的要求.目前，无酶生物传感器的制备和应用成为一个新的研究热点.近年来，纳米材料以其比表面积大、表面自由能高等优点，在生物技术和生物化学领域的应用引起了人们极大的关注，科学家们开始将纳米材料用于制备无酶生物传感器，各种铂及金的纳米多孔结构、铂纳米管阵列、金及铂纳米颗粒、过渡金属铜、镍及其氧化物纳米颗粒、碳纳米管基复合材料等修饰的电极都被用于无酶葡萄糖电化学传感器修饰电极的研制，大大提高了传感器系统的稳定性，开启了生物传感器系统的新时代，为无酶葡萄糖生物传感器的研制注入了新的活力［33-36］.

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