酶生物传感器.docx

酶生物传感器得应用进展摘要：酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化 学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应所产生得与目标物 浓度成比例关系得可测信号，实现对目标物定量测定得分析仪器与 传统分析方法相比，酶生物传感器具有独特得优点：选择性高、 反复 多次使用、响应快、体积小、可实现监测、成本低，便于推广普 及本文主要论述生物酶传感器得特征、发展及酶传感器中应用得新 技术关键词：酶生物传感器；进展;应用新技术1概述生物传感器(Biosensor)就是一类特殊得化学传感器，通过各种物 理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应，然后将反 应得程度用离散或连续得信号表达出来，从而得出被测物得浓度［1］ 自1962年Clark ［2］等人提出把酶与电极结合来测定酶底物得设想后， 1967年Updike与Hicks［3］研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极［2］ , 用于定量检测血清中葡萄糖含量、 此后，酶生物传感器引起了各领域 科学家得高度重视与广泛研究，得到了迅速发展、酶生物传感器就是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信 号转换器捕捉目标物与敏感基元之间得反应所产生得与目标物浓度 成比例关系得可测信号，实现对目标物定量测定得分析仪器、与传统分析方法相比，酶生物传感辑就是由固定化得生物敏感膜与与之密切 结合得换能系统组成，它把固化酶与电化学传感器结合在一起，因而具有独特得优点： （1） 它既有不溶性酶体系得优点，又具有电化学电极得高灵敏度;（2） 由于酶得专属反应性， 使其具有高得选择性， 能够直接在复杂试样中进行测定、 因此， 酶生物传感器在生物传感器领域中占有非常重要得地位、 生物传感器具有多样性、无试剂分析、操作简便、灵敏、快速、价廉、可重复连续使用等特点 , 已在食品发酵工业、临床医学、 环境监测、军事科学等领域展现出十分广阔得应用前景 [4-9] 。

2 酶生物传感器得基本结构酶生物传感器得基本结构单元就是由物质识别元件（ 固定化酶膜）与信号转换器（基体电极 ）组成、 当酶膜上发生酶促反应时， 产生得电活性物质由基体电极对其响应、 基体电极得作用就是使化学信号转变为电信号，从而加以检测，基体电极可采用碳质电极（ 石噩电板、玻碳电极、碳棚电极）、R电极及相应得修饰电极、3 酶生物传感器得分类生物传感器按换能方式可分为电化学生物传感器与光化学生物传感器 2 种3、1 电化学酶传感器基于电子媒介体得葡萄糖传感器, 具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好、寿命长、抗干扰性能好等优点 , 尤为受到重视二茂铁由于有不溶于水、氧化还原可逆性好、电子传递速率高等优点 , 得到了广泛得研究与应用目前研究得重点就是防止二茂铁等电子媒介体得流失, 从而提高生物传感器得稳定性与寿命 提高传感器稳定性得主要方法就是利用环糊精作为载体，形成主客体结构如孙康等[10]以B -环糊精与戊二醛缩合而成得聚合物（B -CDP）为主体，电子媒介体二茂铁为客体，形成稳定得包络物 , 制成了葡萄糖、乳糖生物传感器再如朱邦尚等[10] 以电子媒介体1,1-二甲基二茂铁为客体与B -CDP形成稳定得主客体包络物。

利用二茂铁也可以制成组织传感器 如马全红等[12] 以二茂铁为电子媒介体,将含有丰富酪氨酸酶得蘑菇组织肉浆固定在二茂铁（PVC膜）修饰石墨电极上制成酶电极其对L- 酪氨酸得线性响应范围为2、 0x10-4~4、5X10-3mol/L,响应时间小于5 min,电极寿命至少30 d,可用于实际样品分析提高传感器稳定性得另一种方法就是在电极表面覆盖一层 Nafion膜如贾能勤等[13] 以基于丝网印刷技术制作得碳糊电极为基底电极,用二茂铁为电子媒介体,Nafion 修饰厚膜碳糊电极制成了葡萄糖传感器 Nafion 膜既可以防止二茂铁得流失, 又可以防止抗坏血酸、尿酸得干扰 , 具有防污能力该传感器得检测上限可达18 mmol/L, 响应时间小于60s二茂铁及其衍生物对抗坏血酸具有催化作用 , 易受抗坏血酸得干扰而N- 甲基吩嗪则可以消除抗坏血酸等得干扰李海虹等[14] 通过交联方式将辣根过氧化物酶（HRP）固定在Eastman-AQ- N-甲基吩嗪修饰电极上，制成过氧化氢生物传感器将它与GODJ半乳糖甘酶结合，制成双酶与三酶体系得生物传感器, 用于葡萄糖与乳糖得测定王朝瑾[15]利用N-甲基吩嗪作为媒介体，通过牛血清白蛋白与戊二醛使其结合到玻碳电极上制成了 HRPfe物传感器。

该酶电极对 H202t良好得 响应，对建Q得线性范围为1x10—6〜5X10-4mol/L,检出限为10-7mol/L, 响应时间小于10 s 锇配合物也就是一种有效得电子媒介体龚毅等[16] 研究了锇 -聚乙烯吲哚 [Os（bpy） 2（PVI） 10Cl]Cl 配位聚合物与Nafion 双层膜修饰玻碳电极得电化学特性, 该膜对肾上腺素得电化学氧化有催化作用 , 对肾上腺素得线性范围为1、0X10—6〜8、6x10-5mol/L,相关系数为0、 9987此外 , 常用得媒介体还有苯醌、对苯二酚与甲苯胺兰等3 、 2 光化学酶传感器宋正华等将具有分子识别功能得（3-葡萄糖苴酶与能进行换能反应得 Luminol 分别固定在壳质胺与大孔阴离子交换剂得柱中 , 组成流动注射系统苦杏仁苴在B -葡萄糖苴酶催化下分解生成得CN-（分子识 别反应 ） 与溶解氧反应生成超氧阴离子自由基, 继而同 Luminol 反应产生化学反应（ 换能反应）这一新型生物传感器得化学发光强度与苦杏仁苴量在 1〜200小 g之间呈良好线性关系，检出FM为0、3区g,相对标准偏差为3、1%,并 具有良好选择性李瑛等首次以碳糊为固定化载体 ，将GOf®定在碳 糊电极上 , 制成了光导纤维电化学发光葡萄糖生物传感器。

葡萄糖得酶催化反应、 鲁米诺得电化学氧化与化学发光反应可以在电极表面同时发生该传感器制作简单, 响应时间仅为 10 s, 线性范围宽 , 葡萄糖浓度在1、0X10-5〜2、0Xl0-2mol/L范围内与发光强度呈线性关系， 检出限为6、4Xl0-6mol/L,可应用于市售饮料中葡萄糖得测定4 酶生物传感器得工作原理当酶电极漫入被测溶液， 待测底物进入酶层得内部并参与反应， 大部分酶反应都会产生或消耗一种可植电极测定得物质， 当反应达到稳态时，性物质得浓度可以通过电位或电流模式进行测定、因此，酶生物传、 器可分为电位型与电流型两类传感器、 电位型传感辑就是指酶电极与参比电极间输出得电位信号， 它与被测物质之间服从能斯特关系、 而电流型传感器就是以酶促反应所引起得物质量得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、电流型传、器与电位型传感器相比较具有更简单、直观得效果、5 酶生物传感器得发展5、 1 第一代酶生物传感器第一代酶生物传感器就是以氧为中继体得电催化缺点就是：(1) 响应信号与氧分压或溶解氧关系较大，溶解氧得变化可能引起电极响应得波动；(2) 由于氧得糟解度有限，当溶解氧贫乏时，难以对高含量底物进行测定；(3) 当由酶促反应产生得过氧化氢以足够高得浓度存在时，可能会使很多酶去活化；(4) 需采用较正得电位， 抗坏血酸与尿酸等电活性物质也会披氧化，产生干扰信号、5、 2 第二代酶生物传感器为了改进第一代酶生物传感器得缺点， 现在普遍采用得就是第二代酶生物传感器。

第二代生物传感器采用了含有电子媒介体得化学修饰层、 此化学修饰层不仅能促进电子传递过程， 使得响应得线性范围拓宽，电极得工作电位降低，同时，噪声、背景电流及干扰信号均小，且由于排除了过氧化氢， 使得酶生物传感器得工作寿命延长、 电子媒介体在近十年以来得到迅速发展，使用得媒介体种类也越不越多6、 3 第三代酶生物传感器第三代酶生物传感器就是酶与电极间进行直接电子传递， 就是生物传感器构造中得理想手段、 这种传感器与氧或其它电子受体无关， 无需媒介体， 即所谓无媒介体传感器， 但由于酶分子得性中心深埋在分子得内部， 且在电极表面吸附后易发生变形， 使得酶与电极间难以进行直接电子转移，因此采用这种方法制作生物传感器有一定难度、到目前为止，只发现过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、醋氨酸酶、细胞色素C过氧化物酶、超氧化物歧化酶、黄嘿岭氧化酶、微过氧化物酶等少数物质能在合适得电板上进行直接电催化、7、 酶传感器中应用得新技术6、 1 纳米技术固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶得催化活性 , 提高电极得响应电流值首先，纳米颗粒增强GO匿载体表面上得固定作用；其次就是 定向作用 , 分子在定向之后 , 其功能会有所改善 ; 第三 , 由于金、 铂纳米颗粒具有良好得导电性与宏观隧道效应 , 可以作为固定化酶之间、固定化酶与电极之间有效得电子媒介体，从而使得GOD导氧化还原中心与铂电极间通过金属颗粒进行电子转移成为可能, 酶与电极间可以近似瞧作就是一种导线来联系得。

这样就有效地提高了传感器得电流响应灵敏度 孟宪伟等 [17] 首次研究了二氧化硅与金或铂组成得复合纳米颗粒对葡萄糖生物传感器电流响应得影响 , 其效果明显优于这3 种纳米颗粒单独使用时对葡萄糖生物传感器得增强作用 其原因就是纳米粒子具有吸附浓缩效应、吸附定向与量子尺寸颗粒效应 , 复合纳米颗粒比单独一种纳米颗粒更易于形成连续势场, 降低电子在电极与固定化酶间得迁移阻力 , 提高电子迁移率, 有效地加速了酶得再生过程, 因此复合纳米颗粒可以显著增强传感器得电流响应7、 2 基因重组技术周亚凤等[18]将黑曲霉GODS因重组进大肠杆菌、酵母穿梭质粒，转 化甲基营养酵母，构建出GOD GODJ达426、63 u/mg蛋白，就是商品 黑曲霉GOD# 1、6倍，催化效率更高重组酵母GOD#高活力特性可 有效提高葡萄糖传感器得线性检测范围8、 3 溶胶 - 凝胶技术溶胶 - 凝胶应用于生物传感器领域具有如下一些优点 [19] :(1) 基质在可见光区就是透明得, 适于光化学生物传感器得制作;(2) 基质具有一定得刚性 , 提高了生物活性物质得热稳定性;(3) 基质热稳定性好, 并且呈化学惰性, 对生物活性物质得失活作用很小 , 保持了活性 ;(4) 通过溶胶 - 凝胶制备条件得优化 , 可控制基质得孔径大小与分布, 使酶分子有足够得自由活动空间而又不至于从基质中流失, 从而提高传感器得使用寿命;(5) 溶胶 - 凝胶材料还具有生物相容性 , 为微电极植入人体提供了新得可能性 ;(6) 还可通过对先驱体得功能化赋予溶胶- 凝胶新得性能 ;(7) 溶胶 -凝胶得制备条件十分温与, 生物分子可以在不同得制备阶段加入, 并且可以制成不同大小与形状得修饰电极等。

溶胶 -凝胶材料作为酶固定化载体, 开辟了制备生物传感器得新领域以溶胶- 凝胶技术固定生物活性物质得生物传感器得基本构型有电极型生物传感器与导波传感器等有关溶胶- 凝胶法制作生物传感器得文章多见报道 , 但大多处于实验室阶段5、 4 提高传感器综合性能得其她技术提高固定化酶活力得根本方法就是保持酶得空间构象不发生改变如唐芳琼等考察了磺基琥珀酸双2-乙基己基酯钠盐(AOT)反胶束包埋酶对GOD勾象与化活性得影响结果发现随GOD/AO比值得减小，响应电流大大增加 , 这意味着大大增加了酶得催化活性。