无酶血糖传感器研究进展

【作 者】金锦江，邹瞿超，刘红，褚永华，惠国华

1 浙江大学医学院附属第二医院，杭州市，310009

2 浙江农林大学，杭州市，310009

0 引言

糖尿病作为一种以高血糖为主要特征的代谢性疾病，逐渐成为危害人类健康的慢性疾病之一。随着糖尿病患病率逐年上升，及时有效的血糖监测对糖尿病患者显得更加重要，因此开展准确、适宜的葡萄糖检测技术研究具有重要的应用价值，已经成为现今研究的热点[1]。

当前检测葡萄糖的手段较多，通常有电化学分析法、光谱法和比色法等，其中电化学分析法中的电化学传感器因具备灵敏度高、响应速率快等特点，在生物学样品检测方面应用较多[2]。便携式葡萄糖酶传感器利用葡萄糖氧化酶催化氧化人体血液中的葡萄糖，是目前临床检测血糖的最常用的方法[3]。但是氧化酶在催化过程中易受到环境因素的影响，导致传感器的稳定性不足，使得传感器在实际应用中存在一定局限性[4]。而无酶葡萄糖传感器克服了酶传感器的缺点，利用高性能电极，为糖尿病患者的血糖检测提供了新方向。

1 无酶葡萄糖传感器简介

无酶葡萄糖传感器是一种通过构建高电催化氧化活性的修饰电极，直接在电极表面催化葡萄糖，实现对葡萄糖含量的测定的生物传感器[5]。无酶葡萄糖传感器的电极材料种类较多，主要有金属纳米材料和非金属纳米材料。根据化学检测方法的不同，无酶葡萄糖传感器可分为三种类型即电位式、电流式和伏安式。电位式无酶葡萄糖传感器是利用葡萄糖与电极上一些敏感物质发生反应而引起电位变化来实现对溶液中葡萄糖含量的检测。伏安式无酶葡萄糖传感器是通过伏安法来检测葡萄糖浓度，这种传感器在不同含量的葡萄糖浓度下会呈现出规律变化的伏安曲线。电流式无酶葡萄糖传感器经过检测电极上酶发生氧化还原反应时产生的电流变化来测量物质中葡萄糖含量，是目前无酶葡萄糖传感器中应用得最普遍的一类[6]。

2 无酶葡萄糖传感器电极的表征方法

由不同材料制备出的电极，通常需要进行物理表征和电化学性能测试。物理表征即对工作电极的微观结构、材料类型等进行判断和分析，常用的表征方法有透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）、扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）、X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）等。电化学性能测试常采用三电极系统，包括工作电极、辅助电极和参比电极，主要的测量方法有交流阻抗法（electrochemical impedance spectrum，EIS）、循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）、计时电流法（chronoamperometry）等[7]。无酶葡萄糖传感器的表征过程，首先采用一定方法制得修饰电极，通过SEM、XRD等方法对电极物理表征，然后构建以修饰电极为核心的三电极系统，采用不同检测方法对电极进行电化学性能测试，对修饰电极的制备过程进行了一系列探究，得到传感器的重复性、稳定性、抗干扰性、灵敏度、线性范围等重要性能参数[8-9]。

3 不同类型材料在无酶血糖传感器中的应用

3.1 贵金属在无酶血糖传感器中的应用

3.1.1 单金属在无酶血糖传感器中的应用

单金属电极具有较高的金属活性，Pt、Pd、Au、Ag等常作为修饰电极，用于构建传感器。该类传感器制备工艺相对简单，对葡萄糖也有很好的催化效果。Pt是最早应用于葡萄糖无酶传感的金属元素之一，Pt基修饰电极在碱性和中性溶液中对葡萄糖具有良好的响应。GUO等[10]以3 mmol/L 氯铂酸溶液为电解液，在超声环境中，利用恒定电位沉积法，制得了Pt纳米花电极，并构建葡萄糖传感器。电镜结果显示，Pt纳米花电极表面粗糙，呈镶钉球形。电化学测试表明，Pt纳米花电极对葡萄糖有良好的电催化氧化活性，在血糖传感器领域有潜在的应用前景。相较于Pt基修饰电极，Au基修饰电极具有更好的电化学活性。KURNIAWAN等[11]根据表面等离子体共振的原理，采用逐层沉积法将Au纳米粒子沉积在Au电极上，并以三电极系统构建传感器。传感器的伏安特性表明，相比裸金电极，Au纳米粒子包覆的Au电极有更大的葡萄糖响应电流，其低检测限和高灵敏度等特性使其适用于血糖检测。

3.1.2 双金属在无酶血糖传感器中的应用

双金属材料具有两种不同金属属性，双金属的协同效应能有效降低干扰物质的影响，提高催化效率[12]。杨江伟等[13]通过非均相体系反向微乳液的方法制得了PtPd合金纳米粒子，TEM和XRD表征结果显示该合金纳米粒子具有空心立方体的表面结构，电化学实验表明，构建的传感器能有效检测葡萄糖浓度，并且对尿酸（uric acid，UA）、抗坏血酸（ascorbic acid，AA）等有一定抗干扰性。路会冉等采用电流置换法制备Ag-Pt中空纳米颗粒（Ag-Pt HNPs），SEM和EDX表征结果显示，Ag-Pt HNPs的粒径明显比Ag NPs粒径大，TEM结果显示，Ag-Pt具有中空结构，比表面积增大。将Ag-Pt HNPs用于修饰金电极（Ag-Pt HNPs/CS/Au），构建葡萄糖传感器。电化学测试显示，传感器对葡萄糖具有较强的催化氧化性能和可重复性，性能较Pt电极有所提高，且对葡萄糖的检测不受体内抗坏血酸（AA）和氯离子（Cl-）的影响[14]。此外，三维纳米结构的双金属材料具有更高的催化性能。LEE等通过在珊瑚状大孔Au表面电镀Pt纳米粒子，制得三维Au-Pt合金纳米电极，并构建血糖传感器[15]。电极表征和电化学实验表明，与裸Au电极相比，该电极具有更大的比表面积，对葡萄糖具有更强的电催化氧化能力。

3.2 过渡金属在无酶血糖传感器的应用

过渡金属主要包括铜、镍、锰、钴及其金属氧化物等，具有低廉的成本和良好的导电性，在碱性条件中对葡萄糖有很强的电催化氧化性能[16]。基于Ni修饰电极的无酶葡萄糖传感器工作原理为：在碱性条件下，Ni(OH)2失电子得NiOOH，利用NiOOH的催化氧化作用实现无酶葡萄糖传感检测。包黎凤等利用水热法，在Cu电极表面形成针状结构的ZnO纳米材料，再通过电化学沉积法将Ni纳米粒子均匀分散于ZnO表面，制得Ni-ZnO/Cu电极。电化学测试结果显示，ZnO/Cu对葡萄糖具有氧化能力，而Ni-ZnO/Cu电极对葡萄糖具有更好的氧化催化能力。Ni-ZnO/Cu制备的传感器还具有较强的抗干扰性，良好的稳定性和重复性[17]。由于NiOOH的催化反应依赖于溶液中的OH-，因此在中性或酸性条件下传感器性能会受到较大影响。为克服这一问题，俞建国等通过电刻蚀法得到微镍电极，并采用伏安法在电极上固定过氧化聚吡咯（oPPy）膜，制得了一种高性能的无酶葡萄糖传感器。结果表明，oPPy膜具有较好的多孔结构，由其修饰的微镍电极构建的传感器在低氧化电位、弱碱性条件下，电极上产生的Ni对葡萄糖具有更好的响应，可以检测低浓度的葡萄糖，并对主要干扰物质AA、UA等有很强的抗干扰性，适合用于测定血糖浓度[18]。此外，具有高比表面积的Ni纳米材料也正受到广泛关注，程慧宁等采用阳离子型表面活性剂使碳粉与镍单质的复合电沉积，制得了一种有核壳结构的NiOOH/Ni(OH)2@C电极，复合材料的形貌结构使得该电极具有优异的电化学特性。碳镍复合材料具有较高的比表面积，SEM和XRD表征结果显示，核壳Ni@C结构有较大的团簇。计时电流法测试结果显示，该传感器具有较强的葡萄糖检测能力，较宽的线性范围和较高的灵敏度，在检测血清中葡萄糖含量时各方面表明良好[19]。此外，基于氧化钴的无酶葡萄糖传感器也被证明具有良好的电催化性能。亢禄琪[20]通过水热法制得氧化钴前驱体纳米线，再煅烧得到多孔氧化钴纳米线（NCoNWs），并用交联剂（Nafion）将NCoNWs固定于玻碳电极（glassy carbon electrode，GCE）上，制备多孔氧化钴（NCoNWs/Nafion/GCE）血糖传感器。SEM结果表明，NCoNWs电极为一维多孔纳米结构，表面较为粗糙。电化学测试表明，NCoNWs电极对葡萄糖具有很好的催化氧化活性，拥有良好的灵敏度，并且对AA、UA、DA等干扰物质的响应电流很小，具有较好的抗干扰性，能准确测定人体血糖。

3.3 纳米管材料在无酶血糖传感器的应用

碳纳米管、TiO2纳米管等非金属纳米材料，因其独特的结构，优良的导电性和稳定性，为无酶血糖传感器的研究提供了新的选择。碳纳米管具有高比表面积、高表面粗糙度等特点，因而允许一些金属的沉积，提高催化反应性能。有研究者选用Pd纳米颗粒和经石墨烯处理的碳纳米管，合成Pd-G多壁碳纳米管，也有学者以Ni纳米阵列修饰碳纳米管，制得CNT-Ni纳米结构电极，这些碳纳米管构建传感器都可以实现对葡萄糖浓度的测定[21-22]；TiO2纳米管具有高度有序、尺寸可控等优点，同样被证实可用于无酶葡萄糖传感。李征等首先通过阳极氧化法研制TiO2纳米管，再利用原位还原法将纳米银颗粒固定到纳米管中，制得Ag-TiO2/(500 ℃)纳米管血糖传感器。SEM结果显示，纳米银颗粒能很好地吸附在TiO2纳米管的管壁和管径上。电化学测试实验表明，该电极对葡萄糖具有良好的催化氧化能力，可在中性磷酸缓冲液（phosphate buffered sodium，PBS）中直接检测葡萄糖，血液内的大分子、乙醇、果糖等对传感器影响较小。此外，传感器在稳定性和可重复性方面有较大优势，该研究为无酶葡萄糖传感器的发展提供了一种全新的可能[23]。还有学者采用电化学沉积法制备Co-Cu，并将其修饰在TiO2纳米管上，制备出了Cu0.15Co2.84O4电极，电化学实验结果表明，构建的传感器能准确地检测出人体血糖含量[24]。

3.4 泡沫金属在无酶血糖传感器的应用

三维多孔的泡沫金属具有良好的比表面积和多孔结构的孔隙，能增加活性面积，提高催化性能。多孔泡沫铜、泡沫镍等作为工作电极材料，在葡萄糖传感器的工作电极制备上得到了广泛的应用[25]。别礼丽等[26]以商业泡沫铜（CF）为基底材料，通过三步合成法即化学还原、湿化学、电化学阳极处理，得到了附着在泡沫铜上的Cu(OH)2NRA/CF纳米结构，将其构建无酶葡萄糖传感器。SEM显示传感器为纳米棒结构，且表面粗糙，具有较大的比表面积。电化学测试表明，当检测电压为0.5 V时，传感器对葡萄糖的响应电流最大，具有良好的灵敏度。传感器对实际血液中葡萄糖检测具有很好的选择性和稳定性，是一种高效的无酶血糖传感器。金姣姣等[27]将铂片作为对电极，泡沫铜作为工作电极，并置于0.1 mol/L的NaOH溶液中，通过电流-时间曲线法（i-t）和循环伏安法（CV）研究了一种测定果糖含量的方法。SEM结果显示，泡沫铜呈现三维多孔网状结构。CV测试结果表明，果糖在泡沫铜电极上发生了氧化反应。i-t测试结果显示，传感器对果糖浓度具有良好的线性关系。亢禄琪[20]采用泡沫镍作为基底电极，通过热解法及电化学沉积法制得固定在泡沫镍上的多孔氧化钴纳米阵列（NCoNSs/NF），并构建无酶血糖传感器。SEM结果显示NCoNSs呈表面粗糙的多孔结构。电化学测试结果表明，在合适浓度的NaOH溶液中以及合适的电位下，NCoNSs电极对葡萄糖有很好的催化氧化活性。该传感器对常见干扰物质的响应较小，在人体血液中的血糖含量测定方面有较好的表现[28]。

表1列出了本节所述的所有无酶葡萄糖传感器，并简要总结了构建方法、线性范围和检测限，以便对各种传感器进行比较。

表1 不同类型材料制备的无酶血糖传感器比较Tab.1 Comparison of enzyme-free glucose sensors prepared by different materials

4 无酶血糖传感器应用中存在的问题

4.1 传感器制备工艺复杂

贵金属纳米材料Pt和Au电极虽然具有较好的金属活性，但价格昂贵，获取不易，制备成本较高。在催化氧化葡萄糖时，中间产物极易附着在电极上，导致电极中毒。此外铂电极和金电极容易受到液体中的氯离子干扰，导致电极催化性能变差，从而影响电极的使用寿命[10]。碳纳米管在制备时一般会使用金属催化剂，其产物中会残留部分杂质，需要浓酸进行相应处理，整个过程相对复杂。过度金属纳米材料价格低廉，制备的电极中毒可能性相对较低，但是电极的制备需要经过多个步骤的反应，例如溶剂热法、水热法等，还要控制反应条件，制备过程烦琐。而三维多孔的泡沫金属修饰的电极，考虑产生氢气的速率等，使得电极孔隙均匀，实际制备难度较大[25]。

4.2 传感器可靠性不足

准确性、稳定性、抗干扰性、重现性、灵敏度、线性范围等均是衡量血糖传感器性能的重要指标，不同材料构建的传感器的性能也各有优劣。首先，贵金属铂材料对溶液中葡萄糖测定具有较宽的线性范围，但其催化氧化活性偏低，远不及镍和铜。铜、镍电极的催化活性较高，但需要在碱性条件中进行反应，其线性检测范围相对于金属电极更窄[17]。其次，当Pt、Au作为工作电极时，一些碳水化合物因氧化电位与葡萄糖比较接近，使其也能发生氧化反应，该类传感器对葡萄糖的催化氧化的选择性较差[7]。在实际应用时，需要对人体血液样品进行检测，血样中常存在较多的还原性物质，如尿酸（UA）、抗坏血酸（AA）、多巴胺（dopamine，DA）等，可能对葡萄糖的测定会产生一些干扰，不同材料的电极对几种物质的响应电流变化不一，传感器的抗干扰性无法得到有效保证[16]。

4.3 传感器毒化作用难以规避

人体血清中的血清素（5-HT）有着极强的吸附能力，无酶血糖传感器在实际检测血糖的过程中，血清素等有机物会逐渐吸附在传感器的工作电极表面，使传感器发生毒化现象，响应信号会发生明显衰减至完全消失，影响电极活性和使用寿命，限制了传感器在临床上的长期应用[26]。现在临床在用连续血糖监测仪的使用寿命一般在半个月左右，目前尚无相关成熟的无酶血糖传感器可供临床使用，传感器的研发限于实验室阶段，人体血液的成分非常复杂，有很多未知的因素，要实现连续监测还需要深入探究[28]。

5 总结和展望

纳米材料特殊的微观结构，使其表现出一些优于传统材料的性能，学者们利用贵金属材料、过渡金属材料、碳纳米管、泡沫金属材料等不同类型的材料，构建了新型的无酶葡萄糖传感器，在血液样品检测方面的应用有了较大突破[2]。但是，目前无酶血糖传感器的研究也存在一些问题。首先，血糖传感器的制备工艺比较复杂，需要利用不同方法和多个步骤才能制得工作电极。其次，血糖传感器的各方面性能无法得到有效保证，抗干扰性和选择相对较差，可靠性不足[7-8]。传感器毒化作用也依然存在，限制了传感器的长时间使用[20]。

要实现无酶血糖传感器的普及和应用，应做好以下几个方面：一是继续开发合适的电极材料，制备高稳定性、高灵敏度、宽检测范围的工作电极，提高传感器的各方面性能[29]；二是进一步探究葡萄糖的催化氧化机理，分析葡萄糖和干扰物质的氧化电位，提高传感器的选择性和抗干扰性，降低毒化作用。血糖监测对于糖尿病患者的治疗具有重要的临床意义，目前常规的血糖检测手段都存在一些不足。构建性能良好的无酶葡萄糖传感器与高精尖的微芯片技术相结合，发展以无酶葡萄糖传感器为核心的微型化、集成化血糖检测系统，将成为研究的焦点[30-31]。开发一款能够实时在线监测的便携式血糖监测仪，实现患者血糖的连续监测，将是生物传感器研究人员未来的奋斗目标[32]。