葡萄糖生物传感器的进展过程及研究成果文献综述.doc

文献综述葡萄糖生物传感器的进展过程及研究成果摘要：总结了葡萄糖生物传感器研究的发展过程；阐述了第一代经典葡萄糖酶电极、第 二代传递介体传感器及第三代直接传感器的原理和特性，并介绍了其它类型的葡萄糖传 感器技术及产品，部分产品在医学上的应用最后，总结和展望了葡萄糖生物传感器研 究及应用的发展趋势关键词：葡萄糖；牛物传感器；医学领域；进展引言萄糖传感器是生物传感器领域研究最多、商品化最早的生物传感器葡萄糖生物传感器的发展基于两个方面的技术基础：第一，葡萄糖是动物和植物体内碳水化合物 的主要组成部分，葡萄糖的定量测定在生物化学、临床化学和食品分析中都占有很重要 的位置，其分析方法的研究一直引起人们的关注特别是临床检验中对血糖分析技术的 需求，促进了葡萄糖酶分析方法建立；第二，1954年，Clark建立了氧电极分析方法 1956年又对极谱式氧电极进行了重大改进，使使活体组织氧分压的无损测量成为可能， 并首次提出了氧电极与酶的电化学反应理论根据Clark电极理论，自20世纪60年代开 始，各国科学家纷纷开始葡萄糖传感器的研究经过近半个世纪的努力，葡萄糖传感器 的研究和应用已有了很大的发展，在食品分析、发酵控制、临床检验等方面发挥着重要 的作用叭1经典葡萄糖酶电极1962年，Clark和Lyon发表了第一•篇关于酶电极的论文⑵。

1967年Updik和Hicks首次 研制出以钠电极为基体的葡萄糖氧化酶（GOD）电极用于定量检测血清中的葡萄糖含 量⑶这标志着第一代生物传感器的诞生该方法中葡萄糖氧化酶固定在透析膜和氧穿透膜中间，形成一个“三明治”的结构, 再将此结构附着在钳电极的表面在施加一定电位的条件下，通过检测氧气的减少量来确定葡萄糖的含量由于大气中氧气分压的变化，会导致溶液中溶解氧浓度的变化，从 血影响测定的准确性"为了避免氧干扰，1970年，Clark对其设计的装置进行改进后，可以较准确地测定 H202的产生量，从血间接测定葡萄糖的含量㈢此后，许多研究者采用过氧化氢电极作 为基础电极，其优点是，葡萄糖浓度与产生的儿02有为量关系，不受血液中氧浓度变化 的影响早期的HZ)?电极属于开放型，即钳电极直接与样品溶液接触，干扰比较大现在的 商品化都是隔膜型(Clark)型，即通过一层选择性气透膜(聚乙烯膜获tefion膜)将 电极与外溶液隔开这样在用于生物样品测定时，可以阻止抗坏血酸、谷胱甘肽、尿素 等许多还原性物质的干扰同时，葡萄糖氧化酶的固定化技术也逐步发展和完善，这些 研究包括聚乙烯碳酸酣膜和多孔膜包埋法、重氮化法、牛血清蛋白(BSA) -多聚甲醛膜 法、牛血清白蛋白-戊二醛交联法等。

1972年，Guilbault在钳电极丄覆盖一层掺有葡萄 糖氧化酶的选择性膜，保存10个川后相应电极上响应的稳定电流只减少了0. 1%,从而制 得具有较高稳定性和测量准确性的葡萄糖生物传感器叫这一•技术被美国Yellow Spring Instrument (YST)公司采用,于1975年首次研制出全球第一个商业用途的葡萄糖传感器戸前，葡萄糖酶电极测定仪已经有各种型号商品，并在许多国家普遍应用我国第 一台葡萄糖牛物传感器于1986年研制成功，商品化产品主要有SBA葡萄糖生物传感器工 该传感器选用間定化葡萄糖氧化酶与过氧化氢电极构成酶电极葡萄糖生物传感分析仪， 每次进样两25uL,进样后20s可测岀样品中葡萄糖含量，在10〜1000mg/L范囤内具良好 的线性关系，连续测定20次的变异系数小于2%在葡萄糖氧化酶电极中引入化学介体(chemical mediator)取代O2/H2O2,作用是把 葡萄糖氧化酶氧化，使之再生后循坏使用，而电子传递介体本身被还原，又在电极上被 氧化利用电子传递介体后，既不涉及2,也不涉及II2O2,而是利用具有较低氧化电位的 传递介体在电极上产牛的氧化电流，在测定葡萄糖吋，可以避免其他电活性物质的干扰, 提高了测定的灵敏度和准确性。

Cass等"将GOD固定在石墨电极(graphite electrode)丄，以水不溶性二茂铁 单竣酸为介体在电极对葡萄糖的响应过程中，二茂铁离子作为GOD的氧化剂，并在酶 反应与电极过程0间迅速传递电子将二茂铁修饰硅氧烷聚合物与葡萄糖氧化酶混合， 由此制成的传感器性能更稳定、电子传递速率较高⑷常用的电子媒介体包括二茂铁及其衍生物、有机染料、醍及其衍生物、四硫富瓦烯 （TIF）、四孰基奎诺二甲烷（TCNQ）、富勒烯和导电有机盐等皿但这些有机低分子 媒介体化合物容易从酶层中扩散出来进入底物溶液中，造成传感器的稳定性较差，从而 限制了生物传感器的使用范围解决这个问题的方法之一是使用高分子媒介体化合物， 如变价过渡金属离子型和有机氧化还原型等氧化还原聚合物Paul等将二茂铁及1, 1 二甲基二茂铁通过化学键连接到不溶性的硅氧烷聚合物 的主链丄，用作葡萄糖酶传感器的电子媒介体这种高分子媒介休能够有效地降低传感 器的工作电位，并且能够消除来口其他电活性物质的干扰制成的传感器的突出优点是 响应速度快，电流达到稳态值的时间不足10s朱邦尚等选用环糊精与戊二醛缩合成的环糊精聚合物（B-CDP）为主体，电媒 介体，V 2-二甲基二茂铁为客体，形成稳定的主客体包络物。

用牛血清白蛋白/戊二醛 交联法，把葡萄糖氧化酶和主客体色络物固定到电极JL,传感器的稳定性和使用寿命显 著提高采用钳丝电极经钳化处理制备的杂聚毗咯/G0D膜，葡萄糖酶电极稳定性良好， 间断测定3个月，灵敏度仍达原来的70%左右他第三代生物传感器就是在无媒介体存在下，利用酶与电极间的直接电子传递设计制 作葡萄糖传感器与经典酶电极和介体酶电极相比，既不需要氧分子，也不需要化学介 体分子作为电机受体，通常也不需要固定化载体，而是将酶共价键合到化学修饰电极上, 或将酶固定到多孔电聚合物修饰电极上，使酶氧化还原活性中心与电极接近，直接电子 传递就能够相对容易地进行，从而使电极的响应速度更快、灵敏度更高，真止实现酶的 专一和高效催化通常采用的固定化酶材料有有机导电聚合物膜、有机导电复合材料膜、 金属纳米颗粒或金属和非金展纳米颗粒等冋1992年，koopal等将聚毗咯（PPY）微管用于固定化GOD其方法是通过模板合成法, 将毗咯聚合在金属电极刻蚀膜丄，接着，让GOD牢固地吸附在聚毗咯微管内构成GOD/PPY 传感器所用的径迹刻蚀膜通常由聚酯和聚碳酸酯构成，GOD在微管内保持牛物活性 由于聚毗咯、聚曝吩等共觇的聚合导电物质能在径迹刻蚀膜孔中形成微管，有人认为这 种结构能把酶氧化还原活性中心与电极连接起来，由此制成的生物传感器具有选择性好、灵敏度高的特点。

Koopal等把这一方法进一步改进，采用均匀的乳胶微粒作为聚毗 咯和酶固定时所依附的多孔基体材料，由此制成的葡萄糖生物传感器对葡萄糖测定的线 性响应范围为1〜60mmol/Lo张国林等采用乙基纤维素和乙烘黑导电复合材料制备固定化葡萄糖酶电极结果表 明：用环己烷洗去石蜡的导电复合材料/葡萄糖氧化酶生物传感器具有粒状结构，有利 于酶催化反应利用普鲁士蓝(PB)膜修饰的钠盘葡萄糖电极能有效消除抗坏血酸、尿 酸的干扰叫基于金纳米粒子修饰的葡萄糖酶电极已有大量的研究报道这主要是因为金纳米的 良好的导电性、生物相容性、小尺寸效应以及量子尺寸效应、量子隧道效应等，使得纳 米微粒呈现出许多奇杲的物理、化学性质，从而大大减小了电子在给体与受体之问的距 离，提高了电极与电子之间的传递速率丽蔡新霞等将娥氧化还原聚合物与辣根过氧化酶共价交联修饰薄膜金电极，使用戊二 醛交联固定葡萄糖氧化酶制得葡萄糖传感器该传感器在-0. IVCvs.Ag | AgCl)电位下, 背景电流小于InA,检出限为luM,小于400uM范围内灵敏度为2900 (uM/umol/L)(相关 系数20.998),实现了低浓度葡萄糖的测定，为发展高灵敏度、低检测限、高稳定性 的无创血糖检测传感器奠定了基础。

4其它葡萄糖传感器随着传感器技术的发展，不同的加工方法及换能器用于生物传感器的制备，由此产 生了各种类型的葡萄糖传感器4.1生物燃料电池牛物燃料电池根据牛物催化剂直接把化学能转化为电能的特性来设计的一种牛物 传感器按采用催化剂的不同，可分为微生物燃料电池和酶生物燃料电池近年来，有 关的研究进展主要是酶修饰电极的生物燃料电池"，如Mano等设计的一种微型酶生物燃料电池，该电池有两根涂有生物催化剂的碳纤维，其中阳极为葡萄糖氧化酶GOD将碳纤维直接插入葡萄糖溶液吋,工作电压为0. 52V,输出功率为2. 4uWo热生物传感器(thermal热释放量的变化来检测底物,4.2酶热敏电阻biosensor或calorimetric biosensor) 是根据酶促反应 换能器采用高灵敏度酶热敏电阻如用己糖激酶热敏电阻 传感器测定葡萄糖，分析精度和工作寿命符合临床要求Amine等报道了一种微型化的 热流动注射分析生物传感器，该传感器与微透析探针偶联，能够连续测定皮下葡萄糖 传感器的响应可以保持24h恒定响应时间为85s,测定能力为42次/h4.3光传感器20卅纪80年代开始出现以光学信号为检测指标的生物传感器，形成了光纤生物传感 器(fiber optical biosensor)。

如在鲁米诺(Luminol)发光系统中,葡萄糖氧化酶 固定在碳糊电极丄，制成光导纤维电化学发光葡萄糖生物传感器传感器的信号响应在 10s内达到发光强度峰值葡萄糖浓度在1.0X10 5〜2. 0X 10’mol/L范围内与发光强度呈 线性关系，检出限为6.4X106mol/L,可应用于市售饮料中葡萄糖的测定皿4.4微型酶电极20世纪90年代，微机械、微加工技术的迅速发展为微型生物传感器化提供了极其坚 实的技术基础，各种微电极的研究与应用取得了许多进展如采用与IC兼容的硅作为 基底材料，利用MEMS加工工艺，采用硅腐蚀及SU8微反应池方法制成了新型微电极传感 器与传统的电流型传感器相比，该传感器有较小的敏感面积(lmmXlnini),较低的检 测下限(lX104mol/L),较宽的检测范I韦I (lX104-lX102mol/L),较好的重现性与 稳定性，以及易于与处理电路集成等优点4.5微生物传感器利用微生物细胞代谢过程中产生人量酶的特点，选择能够人量生成葡萄糖氧化酶的 微牛物细胞将其固定在某种载体上而制成的细胞传感器不仅具有稱传感器的所有优 点同吋也克服了酶传感器的缺点，使用寿命长、性质稳定、成本低、易于保存等。

采 用荧光反应作为检测方法时，葡萄糖的浓度在1.0X10，〜3.6X10 7mol/L的浓度范围内 与荧光强度成线性关系血4.6丝网印刷传感器丝网印刷传感器是稱电极方法与丝网印刷技术相结合产生的一种全新概念的生物 传感器上世纪80年代以来，基于丝网印刷电极的生物传感器的研究方面已经有大量报 道其显著特点是能够大批量生产重现性好的生物传感器，而且成本很低，可以一次性 使用最早的丝网印刷传感器主耍集中在血糖的测定方面最典型的例子是手掌型葡萄 糖传感器以及动态血糖连续监控系统⑷5结语从1962年第一个生物传感器的诞生开始，葡萄糖传感器在整个生物传感器发展过程 中的各个阶段都占有重要的地位在商品化方面，葡萄糖生物传感器的应用是其它任何 生物传感器所不能比拟的，如全世界每年用于血糖测试的酶电极产量己达到数十亿支， 另外，发酵工业中，葡萄糖传感器已广泛应用于原料分析和过程控制等在研究领域， 与其他生物传感器相比，葡萄糖传感器发表论文的比例一-直占据首位近年来，纳米生 物传感器及DNA生物传感器的研究报道迅速增加，特别是纳米生物传感器在2001〜20。