基于合金納米材料修飾的葡萄糖傳感器的研究進展

基于合金納米材料修飾的葡萄糖傳感器的研究進展

葡萄糖是自然界分布最廣泛、最重要的獨特糖。這是生命過程中一個重要的化合物。在臨床醫(yī)學中，人體血液中的不同化學成分是評估人體健康狀況的重要信息，糖含量是衡量新陳代謝能力和糖尿病臨床診斷的重要指標。因此，葡萄糖的定量分析和檢測對人類的健康和疾病的診斷、治療和控制發(fā)揮著重要作用。葡萄糖傳感器是生物傳感器領域中研究最多、商品化最早的生物傳感器,葡萄糖傳感器按是否使用酶構建傳感器,可分為葡萄糖氧化酶傳感器和無酶葡萄糖傳感器.葡萄糖氧化酶傳感器是由專一性高、反應速度快的葡萄糖氧化酶與Clark氧電極構建的葡萄糖分析方法,但由于葡萄糖氧化酶的活性受溫度、pH值等條件的影響,使得其在實際應用中受到一定的條件限制,因此,無酶葡萄糖傳感器逐漸成為研究的熱點.納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1~100nm)的材料,由于其具有比表面積大、表面自由能高、催化性好、具有良好的生物相容性等特殊的性能,因而可以增加生物材料固定的穩(wěn)定性和有效保持固定生物材料的活性,可用作構建生物傳感器的活性界面,并可改進生物分子與基體電極之間的電子傳導能力,實現(xiàn)生物與基體電極之間的直接電子轉移.近年來人們對其做了許多探索性研究,將各種納米材料引入生物電化學傳感器中以改善傳感器的響應性能.合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬氧化物所組成的具有金屬特性的物質,由于合金中兩種金屬元素的協(xié)同作用而致使合金的催化活性大大增加.同時,由于合金納米材料具有比表面積大和吸附能力強等特點,能夠很牢固地將酶、蛋白質等生物活性物質吸附在其表面,并能保持其活性.1藥物防治糖脂代謝利用葡萄糖氧化酶測定葡萄糖的酶催化分析法而研制的酶傳感器是開展的最早也是最成功的生物化學傳感器,葡萄糖氧化酶(GOD)分析法是臨床上最常用的葡萄糖檢測方法.1.1血糖檢測方法葡萄糖氧化酶(glucoseoxidase,GOD)法測定血糖濃度的準確度、精密度較好,以葡萄糖氧化酶分析法制成的血糖儀具有用血量少,檢測速度快,特別是糖尿病患者可隨身攜帶、自我檢測血糖濃度,因此成為我國衛(wèi)生部推薦的血糖測定的常規(guī)方法.目前國內外相關報道中,基于葡萄糖氧化酶測定葡萄糖濃度的方法有光電式血糖測試法和基于電極修飾的葡萄糖氧化酶傳感器兩種.光電式血糖測試法是將血樣標本滴在含有葡萄糖氧化酶的試紙條上,通過儀器檢測試紙條的反射光,從而計算出血樣中的血糖含量;基于電極修飾的葡萄糖氧化酶傳感器是利用載體將葡萄糖氧化酶固定在電極上制成的,其技術難點是如何選擇和制備能較好固定葡萄糖氧化酶的載體,以減少酶的失活和流失,并保證其具有較高的選擇性、穩(wěn)定性、催化性和抗干擾性.1.2酶固定化技術酶傳感器由固定化酶膜和變換器構成,固定化酶膜是酶傳感器中最為重要的部分,其功能是選擇性識別被檢物,并催化被識別出的物質,進而發(fā)生化學反應.在葡萄糖氧化酶傳感器的制備過程中,提高生物傳感器性能最為關鍵的因素之一就是酶的固定化技術,它對傳感器的各項性能起決定性作用.目前,常用的酶固定化技術有物理吸附法、交聯(lián)法、包埋法和共價鍵合法4種.物理吸附法是一種較為簡單的酶固定化方法,其的優(yōu)點是能保持酶的活性,但固定的酶易脫落和流失,因此僅適合于制備一次性使用的生物傳感器;共價鍵合法是酶與載體以共價鍵方式結合的固定化方法,其優(yōu)點是酶與載體結合牢固,缺點是操作復雜,反應所需條件較為苛刻.1.3葡萄糖氧化酶傳感器1967年Hicks和Updike研制出了第一代葡萄糖傳感器———以溶解氧為電子媒介體的葡萄糖氧化酶電極,由于此類傳感器背景電流大、抗干擾能力差、且易受溶液中氧濃度變化的影響而限制了其應用.近年來,科研工作者們致力于研究第二代葡萄糖傳感器,他們采用介體二茂鐵及其衍生物、甲基紫精、四硫富瓦烯等代替氧作用的葡萄糖酶傳感器,此類傳感器具有抗干擾能力強、選擇性高,不受溶液中氧濃度變化的影響,使得其被大家所重視.隨著科學技術的飛速發(fā)展和各種納米材料的不斷涌現(xiàn),研究者更加關注制備新型合金納米材料用于固定葡萄糖氧化酶,以提高葡萄糖氧化酶傳感器的穩(wěn)定性、選擇性和靈敏度,研制出性能特殊、結構新穎的葡萄糖氧化酶傳感器.Kang等利用直接電沉積法制備了Pt–Au合金納米顆粒,將其與碳納米管通過聚合物層層自組裝形成多層膜,用該膜作為固定葡萄糖氧化酶的載體,研制出了電催化性能較好的葡萄糖氧化酶傳感器.孟憲偉分別利用Au、Ag、SiO2、Pt及其復合納米顆粒來固定葡萄糖氧化酶,制備了一種近似直接電子傳遞的葡萄糖氧化酶傳感器,用銀納米顆粒修飾的葡萄糖氧化酶傳感器檢測0.1mM的葡萄糖,其響應電流提高了62.5倍.Wang等制備了長為20μm、直徑為200nm的Au-Ni合金納米線,用該合金納米固定葡萄糖氧化酶制成對葡萄糖測量具有可控性的傳感器(圖1),該傳感器具有操作簡單,重現(xiàn)性、檢出限和線性范圍較好等優(yōu)點.李建平等人合成了Fe3O4/Au微粒,通過共價鍵合法將葡萄糖氧化酶固定到Fe3O4/Au磁性復合粒子上,該復合粒子具有良好的超順磁性,通過磁力作用將其固定在改進的玻碳電極上制得一種新型葡萄糖傳感器.該傳感器以二茂鐵為電子媒介,極大地提高了其檢測的靈敏度和選擇性,其顯著特點是制作簡單、易于更新.姜利英等人在薄膜金電極表面沉積鉑納米顆粒,利用戊二醛將酶固定在薄膜金電極上,制備了一種新型的葡萄糖傳感器.王貝貝等人采用納米普魯士藍/金納米粒子/殼聚糖復合膜固定葡萄糖氧化酶構建新型葡萄糖生物傳感器,該傳感器可用于糖尿病人血糖的測定.景蔚萱等人在ZnO納米線上物理吸附葡萄糖氧化酶,制備了一種基于螺旋線形跨尺度結構(圖2)的酶傳感器,該傳感器可用于醫(yī)藥、生物、食品加工及環(huán)境監(jiān)測領域中尿酸、尿素、膽固醇、過氧化氫和苯酚等的檢測.其制備的Au螺旋線、ZnO納米線及螺旋線形跨尺度結構如圖2所示.2無酶葡萄糖傳感器葡萄糖氧化酶作為一種酶,其活性受溫度的影響大、易失活,且酶的價格高,限制了葡萄糖氧化酶傳感器的應用.然而,無酶葡萄糖傳感器不受溫度和反應時間的影響,并且可以利用各種材料修飾催化電極來測定葡萄糖.由于此類傳感器可反復多次使用,檢測時間短,費用低而逐漸成為大家研究的的熱點.2.1無酶葡萄糖傳感器無酶葡萄糖電化學傳感器根據(jù)其檢測方法的不同可分為電位型、伏安法和電流型葡萄糖電化學傳感器.電位型無酶葡萄糖傳感器是通過葡萄糖與敏感物質的反應使得電位發(fā)生變化從而實現(xiàn)對葡萄糖的測定.Shoji和Freund使用帶有硼酸的聚合物膜修飾電極研制了電位型葡萄糖傳感器.伏安型無酶葡萄糖傳感器是利用修飾電極在電化學反應過程中產生安培電流,根據(jù)電流的強弱間接檢測葡萄糖的含量.Choi等人用帶有巰基的α—環(huán)糊精單層膜修飾在金電極表面制成伏安型無酶葡萄糖傳感器.Arimori等人在修飾電極中引入了帶有兩個硼酸分子且具有選擇性識別D—葡萄糖的識別分子,顯著提高了傳感器的選擇性和靈敏度.電流型無酶葡萄糖傳感器是無酶葡萄糖電化學傳感器中研究最多的一類,該類傳感器通常采用計時電流法對溶液中的葡萄糖進行分析測定,其修飾電極的材料有鉑、金等稀有金屬、銅、鎳等過渡金屬、合金及納米復合粒子.2.2無酶葡萄糖傳感器的研制利用納米材料的界面效應、尺寸效應、量子效應,將納米材料引入葡萄糖電化學傳感器的研制,除了可將材料本身的特性引入電極界面外,同時其表面較多的功能基團會對葡萄糖及其糖類化合物的電化學行為產生特有的催化效應,另外還可降低過電位,提高電化學反應的速率、電極的選擇性和靈敏性.隨著技術的發(fā)展,鉑、金、銅、鎳納米顆粒,納米金屬氧化物、碳納米管及其復合物,合金納米材料等被應用于修飾電極研制無酶葡萄糖傳感器,為無酶葡萄糖傳感器的研制注入了新生命,成為人們研究的熱點,并取得了一系列的研究成果.2.2.1聚合反應和電化學傳感器的應用對葡萄糖的氧化具有電催化活性并可用于葡萄糖測定的金屬修飾電極材料有鉑、金、銥、銠、釕、銅、鈷和鎳等.Park等人在其無酶葡萄糖電化學傳感器的研究進展中詳細討論了無酶葡萄糖電化學傳感器的優(yōu)點、研制難點,并對葡萄糖在鉑電極、金電極、銅電極、鎳電極等電極材料上的電催化氧化機理進行了闡述.鉑和金是無酶葡萄糖電化學傳感器中最早使用的電極材料.Wittstock等人研究了Bi修飾的鉑電極在堿性溶液中對葡萄糖的電催化行為,為在鉑修飾電極上用恒電位計時電流法檢測碳水化合物提供理論基礎.Matsumoto等人在金電極表面上電鍍一層汞膜,使該電極的響應電流明顯增強.過渡金屬銅和鎳也被用于葡萄糖電化學傳感器電極的研制,用銅和鎳制備的電極與鉑電極和金電極相比,其優(yōu)點是電極材料的價格低廉,且可以直接用恒電位計時電流法對溶液中的葡萄糖進行檢測.Casella等人用直接電沉積法將銅沉積到金電極表面,該電極用于葡萄糖檢測表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性和選擇性.近年來,Quintino等人嘗試在堿液中用鎳電極通過電催化氧化反應測定葡萄糖等有機物.Zhao等人用電化學方法將單分子層銅納米顆粒修飾到金電極表面用于葡萄糖的檢測,表現(xiàn)出很好的檢測性能.Zhuang等人用液相法在銅電極表面上合成了氫氧化銅納米線,然后將其轉化為氧化銅納米線制得無酶葡萄糖電化學傳感器,該傳感器具有很好的重現(xiàn)性和靈敏度,并能用于實際血糖樣品的檢測.2.2.2非酶型葡萄糖傳感器Cao等人采用靜電紡絲和焙燒技術制備了新型的CuO-NiO超細纖維材料,用于修飾電極制得無酶葡萄糖傳感器,該傳感器具有較高的靈敏度和較低的檢測限.AlbertGute等人先在銅絲電極表面電鍍上一層環(huán)氧樹脂-銀薄膜,然后再將鈀納米顆粒沉積在薄膜上,制備了一種新型、簡易、低成本的無酶葡萄糖傳感器.余淑娟等人用直接電沉積法將Ni納米粒子沉積在二氧化鈦納米管內,通過循環(huán)伏安法將Ni轉化為鐵氰化鎳,研制了一種新型的非酶型葡萄糖生物傳感器,該傳感器具有很強的抗干擾能力.戴高鵬等人將鈦片在含鎳溶液中進行水熱處理,在其基體上直接生長Ni(OH)2納米片陣列,用于電化學檢測葡萄糖表現(xiàn)出良好的電催化性,比普通NiO和Ni(OH)2無酶傳感器更靈敏.李利花等人以Nafion為固定劑,將多壁碳納米管負載鉑-二氧化釕納米顆粒的復合物修飾到玻碳電極的表面制備了性能良好的無酶型葡萄糖傳感器.Yu等利用鎳納米粒子和二氧化鈦納米管復合材料電催化氧化葡萄糖.王銀珠等人介紹和歸納了金屬及其金屬氧化物納米材料的研究現(xiàn)狀及其在無酶電化學生物傳感器上的應用,并對復合材料實際應用于無酶電化學生物傳感器方面的未來發(fā)展及所存在的問題做了展望.2.2.3無酶葡萄糖傳感器合金納米材料由于綜合了構成合金各金屬的優(yōu)點,其作為無酶葡萄糖電化學傳感器的電極材料,極大地提高了檢測葡萄糖的靈敏度和選擇性.Sun等人對比研究了鉑、金、鉛、鈀、銠五種元素的合金對葡萄糖的電催化氧化性能,通過實驗發(fā)現(xiàn),用Pt和Pb的合金修飾的電極對葡萄糖電催化氧化性能最好.Yeo等人研究了銅鎳合金對葡萄糖和其它有機小分子的電催化氧化性能,由于在陽極氧化過程中銅和鎳具有良好的協(xié)同催化作用,使得該電極在堿性溶液中對葡萄糖和氨基乙酸的響應性能有很顯著的提高.Gao等人采用超聲輔助一步法合成石墨烯和納米Pt-Ni合金,用該材料修飾電極用于制得高選擇性的無酶葡萄糖傳感器.Pham等人用離子注入法在鎳表面制備銅、鈦及銅和鈦的合金,用組合的方法研究了該系列合金電極與鎳電極在堿性溶液中對葡萄糖的電催化氧化行為,實驗結果表明合金修飾的無酶葡萄糖傳感器對葡萄糖具有更高的電催化活性.Wang等人用納米多孔Pt-Pb合金修飾電極進行無酶電化學葡萄糖濃度的檢測.Bai等采用三電極體系,利用PC模板合成了Pt-Pb合金納米線陣列,將其修飾到玻碳電極上制成無酶的葡萄糖生物傳感器,該傳感器的靈敏度和催化氧化性明顯增強.吳國權用恒電流沉積法制備出松樹花狀Pt-Pb納米合金,用其修飾電極后對葡萄糖進行檢測,表現(xiàn)出良好的電催化性和選擇性.用相同方法還制備了Pt-Ag和Pt-Cu中空納米顆粒,將其修飾電極制備了一系列的無酶葡萄糖傳感器.實驗結果表明,在合金中增加銀和銅,能明顯提高Pt電極對葡萄糖的電催化氧化活性和電催化氧化電位.郭美卿將制備的Pt-Pb納米花修飾到不銹鋼針電極表面,構建了一種可植入式葡萄糖傳感器.常艷兵在加熱條件下利用PC模板制得了Al-Ni雙氫氧化物納米線,將其修飾到玻碳電極制成具有線性范圍寬、檢出限低、操作簡單的無酶葡萄糖傳感器.3金屬基納米金屬傳感器的應用近年來,隨著納米材料制備新方法的開發(fā)和研究工作者的重視,許多性能特殊、結構新穎的新型納米材料被開發(fā)出來,為研制新型葡萄糖傳感器提供了廣闊的思路.雖然取得了很多研究成果,但是葡萄糖傳感器在以下3個方面還有待進一步的研究.1)理論研究方面.對于合金納米材料在葡萄糖傳感器的研究,僅局限于應用上,而對于其影響機理尚未有合理的理論解釋,對于納米材料的作用機理有待深入研究.2)技術應用方