葡萄糖生物傳感器的研究進(jìn)展

葡萄糖生物傳感器的研究進(jìn)展

糖尿病已成為一個(gè)社會(huì)健康問題，是由代謝障礙引起的。正常人體血液中葡萄糖的含量范圍為4.4～6.6mmol/L(80～120mg/dL),血糖濃度過高會(huì)導(dǎo)致高血糖癥或胰島素不足,進(jìn)而引起糖尿病。因此,在各個(gè)領(lǐng)域(如醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及食品分析)中尋求一種快速、可靠和廉價(jià)的葡萄糖檢測(cè)方法極其重要。本文以檢測(cè)方法中是否存在酶,對(duì)葡萄糖檢測(cè)方法分類進(jìn)行綜述,并對(duì)葡萄糖的檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。1信號(hào)轉(zhuǎn)換檢測(cè)葡萄糖濃度葡萄糖檢測(cè)裝置通常主要由識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成。識(shí)別部分為生物活性物質(zhì)(如酶、細(xì)胞組織、DNA和有機(jī)分子等),其受到底物的刺激,做出相應(yīng)的反應(yīng)。信號(hào)轉(zhuǎn)換器是一種能量轉(zhuǎn)換,可將葡萄糖濃度轉(zhuǎn)換到可以被檢測(cè)到的另一種信號(hào),如電化學(xué)信號(hào)、光學(xué)信號(hào)等,而通過研究分析這些信號(hào),可獲得葡萄糖的含量。最近幾年,采用固化酶的方法檢測(cè)葡萄糖已得到廣泛研究。葡萄糖酶可分為葡萄糖氧化酶(GOx)和葡萄糖脫氫酶(GDH),而采用葡萄糖氧化酶測(cè)定葡萄糖濃度已成為一種廣泛、有效的方法。此外,酶生物傳感器按能量轉(zhuǎn)換方式可分為電化學(xué)酶生物傳感器、光化學(xué)酶生物傳感器以及其它生物傳感器。1.1葡萄糖生物傳感檢測(cè)自從1962年Clark與Lyons首次將葡萄糖酶與鉑電極結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了固化酶技術(shù)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)人體血液中的葡萄糖含量,提出了葡萄糖酶傳感器這個(gè)初步概念之后,電化學(xué)方法已受到了廣泛的關(guān)注。1995年,Kayakin等利用普魯士藍(lán)電催化過氧化氫并與葡萄糖氧化酶結(jié)合,間接測(cè)定了葡萄糖濃度。2003年,Vago等利用新型雙金屬卟啉薄膜電催化分子氧和過氧化氫的還原,進(jìn)而間接檢測(cè)了葡萄糖的含量。而卟啉及其衍生物特別是金屬卟啉化合物對(duì)生物分子可進(jìn)行有效的識(shí)別。2005年,Zhao等通過層層自組裝方法將多層薄膜有機(jī)聚合物與普魯士藍(lán)納米粒子以及葡萄糖氧化酶結(jié)合(PDDA/PSS/(P-PB/GOx)n)測(cè)定了葡萄糖的含量,該方法中普魯士藍(lán)充當(dāng)電子傳遞的接受體(媒介體)的作用。2007年,Kohma等將二茂鐵衍生物(Fc-COOH)和鋨的衍生物[Os(bpy)3]Cl2與葡萄糖氧化酶結(jié)合,利用交流阻抗對(duì)葡萄糖進(jìn)行了電化學(xué)傳感檢測(cè)。2011年,Hu等采用選擇性的硼去保護(hù)化方法,將葡萄糖酶與對(duì)氨基苯硼酸頻哪醇酯結(jié)合,制得了碳糊電極,進(jìn)而電化學(xué)檢測(cè)了葡萄糖以及葡萄糖酶的含量。此外,納米粒子也可以與膜材料結(jié)合進(jìn)而改進(jìn)生物傳感器的性能。1992年,Crumbliss等最先利用氣相沉積方法將金納米粒子與辣根過氧化酶(HRP)結(jié)合,結(jié)果表明,金納米粒子具有很好的電子轉(zhuǎn)移性能,可更好地促進(jìn)電極和HRP之間的電子轉(zhuǎn)移,為理想化生物傳感器的發(fā)展提供了有益的思路。隨后,冷鵬利用核微孔膜作為媒介體,將金納米粒子引入到葡萄糖生物傳感器中,結(jié)果表明,金納米粒子對(duì)葡萄糖氧化酶活性以及傳感器靈敏度的提高均具有很好的作用。隨后,碳納米管(CNT)、碳納米角(CNH)以及石墨烯等納米材料也逐漸被用到生物傳感器中。2009年,Rakhi等采用GOx與金納米粒子、MWCNT結(jié)合(GOD/Au-MWCNT/Nafion)檢測(cè)葡萄糖含量。Lin等采用一步法合成了銀納米粒子,并將其與碳納米管和殼聚糖結(jié)合得到聚合物膜,將其與GOx和HRP二者結(jié)合(GOx/HRP/Ag/CNT/Ch/ITO)檢測(cè)葡萄糖和過氧化氫的含量。2008年,Liu等將SWCNHs與GOx結(jié)合并且采用二茂鐵羧酸作為媒介體檢測(cè)葡萄糖的含量,該傳感器具有靈敏度高、檢測(cè)限低以及選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。2010年,Zhu和Xu綜述了SWCNHs的應(yīng)用。2010年,Alwarappan等采用酶摻雜石墨烯納米片來增強(qiáng)葡萄糖生物傳感,該方法使用聚吡咯-石墨烯-GOx電化學(xué)檢測(cè)葡萄糖的含量,如圖1所示。2008年,Wang依據(jù)電子轉(zhuǎn)移的機(jī)制不同,將電化學(xué)葡萄糖傳感器分為三代:第一代、第二代和第三代葡萄糖生物傳感器,其中第一代和第二代傳感器分別采用天然氧、人工的氧化還原中介體作為電子接受體,而第三代傳感器則在電極和葡萄糖氧化酶之間直接進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移,如圖2所示。1.1.1應(yīng)如式1第一代葡萄糖生物傳感器是基于氧分子為電子接受體,通過測(cè)定氧的減少量或葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖所產(chǎn)生過氧化氫的生成量,直接或間接檢測(cè)底物含量的傳感器。反應(yīng)如式(1)和(2)所示。Enzymelayer∶GOx(ox)+glucose→gluconolactone+GOx(red)(1)GOx(red)+O2→GOx(ox)+H2O2Electrode∶H2O2→O2+2H++2e?(2)Enzymelayer∶GΟx(ox)+glucose→gluconolactone+GΟx(red)(1)GΟx(red)+Ο2→GΟx(ox)+Η2Ο2Electrode∶Η2Ο2→Ο2+2Η++2e-(2)1.1.2第二代葡萄糖生物傳感器電子轉(zhuǎn)移機(jī)理第二代生物傳感器是用小分子的電子媒介體(如二茂鐵及其衍生物、苯醌類和納米材料等)代替氧傳遞酶與電極之間的電子通道,通過媒介體的電流變化大小來檢測(cè)待測(cè)底物的濃度,反應(yīng)如式(3)、(4)和(5)所示。Enzymelayer∶GOD(ox)+glucose→GOD(red)+gluconolactone(3)Modifiedlayer∶GOD(red)+M(ox)→GOD(ox)+M(red)+2H+(4)Electrode∶M(red)→M(ox)+ne?(5)Enzymelayer∶GΟD(ox)+glucose→GΟD(red)+gluconolactone(3)Μodifiedlayer∶GΟD(red)+Μ(ox)→GΟD(ox)+Μ(red)+2Η+(4)Electrode∶Μ(red)→Μ(ox)+ne-(5)第二代葡萄糖生物傳感器電子轉(zhuǎn)移機(jī)理如圖3所示。該傳感器由于使用了電子媒介體,可有效地促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移,因此,克服了第一代生物傳感器溶解氧濃度不穩(wěn)定性和測(cè)定過氧化氫時(shí)常伴隨干擾的不足。1.1.3電聚合物傳感器該傳感器是一種理想化傳感器,是一種酶與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移型傳感器,或?qū)⒚感揎椀綆Э椎碾娋酆衔镫姌O上,使酶的活性中心部位與電極相接近,這樣易于進(jìn)行電子傳遞。此傳感器主要優(yōu)勢(shì)在于無需氧和外加昂貴的媒介體作為接受體,這樣避免了溶解氧帶來的干擾以及由媒介體引起的復(fù)雜性與局限性。但該傳感器供體和受體對(duì)的空間分離是關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)。1.2提高葡萄糖含量的方法光化學(xué)方法為葡萄糖濃度的檢測(cè)提供了另一種方法,該法通常具有靈敏度高、選擇性和重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)檢測(cè)原理,光化學(xué)傳感器可分為2種:一種是依據(jù)光(熒光及化學(xué)發(fā)光等)信號(hào);另一種是依據(jù)表面等離子體共振信號(hào)。最近幾年,利用熒光和化學(xué)發(fā)光檢測(cè)物質(zhì)已引起了人們的廣泛關(guān)注,而在熒光系統(tǒng)中,主要是淬滅過程的建立,而氧、葡萄糖氧化酶以及過氧化氫等均可以作為淬滅劑,因此,可以測(cè)定葡萄糖的含量。如2012年,Huang等采用熒光能量共振轉(zhuǎn)移(FRET),結(jié)合金納米粒子與酶,高靈敏地檢測(cè)了過氧化氫、葡萄糖以及尿酸的含量,如圖4所示。Wang等利用化學(xué)發(fā)光流動(dòng)生物傳感器檢測(cè)葡萄糖的含量,該傳感器結(jié)合魯米諾和Mg-Al碳酸鹽層狀雙氫氧化物(Mg-Al-CO3LDHs)檢測(cè)了葡萄糖與過氧化氫的含量,如圖5所示。而表面等離子體共振信號(hào)也被用于檢測(cè)葡萄糖的含量,其中一種局部表面等離子體共振(LSPR)光學(xué)生物傳感器是由易受控制的色質(zhì)凝膠和葡萄糖氧化酶以及銀納米粒子固定在內(nèi)部組成的。除此之外,在某些方面,電化學(xué)發(fā)光也是檢測(cè)葡萄糖濃度的一種方法,但它是一種混合系統(tǒng),結(jié)合了電化學(xué)和光學(xué)檢測(cè)器方法。目前在許多領(lǐng)域廣泛地研究了電化學(xué)發(fā)光的重要性,并在射流系統(tǒng)中利用電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)器代替激光感應(yīng)的熒光檢測(cè)。另外,Liu等利用GOx/AuNP/sol-gel/Au催化魯米諾電化學(xué)發(fā)光的原理制備了葡萄糖生物傳感器。1.3其他常用的檢測(cè)方法利用葡萄糖氧化酶系統(tǒng)檢測(cè)葡萄糖的一些其它方法已經(jīng)得到應(yīng)用,這些方法提供了不同的思路,如分子印記傳感器、測(cè)溫傳感器和磁彈性傳感器,這些傳感器均具有很好的抗干擾性。2葡萄糖無酶試驗(yàn)體系無酶傳感器可以通過電化學(xué)方法、熒光方法和比色方法等檢測(cè)葡萄糖的含量。2.1不同的血清中織物采用葡萄糖酶檢測(cè)葡萄糖發(fā)展的同時(shí),無酶葡萄糖生物傳感器也逐漸被人們關(guān)注。該傳感器主要由一種納米粒子或混合納米粒子電催化葡萄糖組成。2003年,Park等采用介孔鉑薄膜電化學(xué)檢測(cè)葡萄糖的含量。2008年,Wang等基于納米多孔Pt/Pb網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無酶電化學(xué)葡萄糖濃度的檢測(cè)。2010年,Toghill和Compton綜述了無酶電化學(xué)葡萄糖傳感器的優(yōu)點(diǎn)與不足。Chen等使用Pd納米粒子來修飾功能化CNTs進(jìn)行了無酶的電流型葡萄糖含量檢測(cè)。Yang等通過MWCNTs和銅納米立方體復(fù)合材料制備了電流型無酶葡萄糖傳感器。2012年,Yu等采用鎳納米粒子和二氧化鈦納米管(Ni-NPs/TiO2-NTs)復(fù)合材料電催化氧化葡萄糖。這些無酶電化學(xué)傳感器克服了酶體系的一些弊端,如酶的不穩(wěn)定性與易變性以及酶的價(jià)格昂貴等。2.2近紅外熒光蒸餾該傳感器應(yīng)用較為廣泛,2012年,Yum等將SWCNT與硼酸結(jié)合,采用近紅外熒光淬滅效應(yīng)檢測(cè)葡萄糖的濃度,如圖6所示。Ibey等利用樹狀分子熒光基團(tuán)配合物檢測(cè)了葡萄糖的含量。Billingsley等采用熒光納米光極檢測(cè)了葡萄糖的濃度。2.3顯色法和聚合物法比色法是利用有色物質(zhì)的顏色不同來確定待測(cè)物質(zhì)濃度的一種方法。該方法對(duì)顯色反應(yīng)和反應(yīng)條件要求比較嚴(yán)格,但是該方法可靠、低廉且穩(wěn)定,因此,將其用于檢測(cè)待測(cè)物的含量方面的工作較多。Honda等依據(jù)比色法利用聚合物凝膠膜檢測(cè)了葡萄糖的含量。Lim等利用比色傳感器系列檢測(cè)和識(shí)別了糖類物質(zhì)。3具有很強(qiáng)的抗干擾能力本文論述了葡萄糖酶生物傳感器檢測(cè)方法和無酶葡萄糖生物傳感器檢測(cè)方法,與傳統(tǒng)方法(色譜法、光譜法)比較,這2種方法具有很好的性能,如靈敏度高、選擇性好