葡萄糖生物传感器研究进展(1) 生物传感器检测葡萄糖

葡萄糖生物传感器研究进展(1) 生物传感器检测葡萄糖 第卷第期 年月山东科学：） 葡萄糖生物传感器研究进展 赵晓华，盂庆军，毕眷元，张利群，史建国。 （粕东省辩学院生耪硪究所，由东省生物传感器蘩点实验室，灏衷济意） 摘要：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。最后，总结和展望了葡 莓糠生物传感器耩究及应鼷静发震趋势。 关键词：葡萄糖；生物传感器；进展 中圈扮类号：嗽： ， （；，据删， ，） ：， 。 ：； 葡萄糖传感器是生物传感器领域研究最多、商晶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厩的技术基础：第一，葡麴糖是动物幂珏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纯学、嵇藤化学帮食髭分析中都占有很壤要的位置，其分析方法的研究一直弓起人们的关注。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，年，建立了氧电极分析方法。年又对极谱式氧电极进行了重大改进，使活体组织氧分嚣的无损溅基成为霹麓，并首次提出了氧电极与酶的电化学反应理论。根据电极理论，自世纪年代开始，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、临臻检验等方藩发挥着重要懿律用狂。 经典葡萄糖酶电极 年，和发表了第一篇关予酶电极的渔。年和首次研制出以铂电极为基体的葡萄糖氧化酶（）电极，用于定量检测血清中的葡萄糖含量。这标志着第一代生物传感器的： 作赣简介：赵晓华（一），曩程师，研究方向为生物传感器。 通讯作者 第期赵晓华，等：葡萄糖生物传感器研究进展诞生。 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，再将此结构附着在铂电极的表面。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，从而影响测定的准确性。 为了避免氧干扰，年，对其设计的装置进行改进后，可以较准确地测定的产生量，从而间接测定葡萄糖的含量。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，有当量关系，不受血液中氧浓度变化的影响。 早期的电极属于开放型，即铂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（型），即通过一层选择性气透膜（聚乙烯膜获膜）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酯膜和多孔膜包埋法、重氮化法、牛血清蛋白（）多聚甲醛膜法、牛血清白蛋白一戊二醛交联法等。年，在铂电极上覆盖一层掺有葡萄糖氧化酶的选择性膜，保存个月后相应电极上响应的稳定电流只减少了，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。这一技术被美国 商业用途的葡萄糖传感器。 目前，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。我国第一台葡萄糖生物传感器于年研制成功，商品化产品主要有葡萄糖生物传感器。该传感器选用固定化葡萄糖氧化酶与（）公司采用，于年首次研制出全球第一个过氧化氢电极构成酶电极葡萄糖生物传感分析仪，每次进样量肚，进样后可测出样品中葡萄糖含量，在。范围内具良好的线性关系，连续测定次的变异系数小于。 介体葡萄糖酶电极 在葡萄糖氧化酶电极中引入化学介体（）取代，作用是把葡萄糖氧化酶氧化，使之再生后循环使用，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，也不涉及，而是利用具有较低氧化电位的传递介体在电极上产生的氧化电流，在测定葡萄糖时，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。 等阳将固定在石墨电极（）上，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，二茂铁离子作为的氧化剂，并在酶反应与电极过程之间迅速传递电子。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、电子传递速率较高峥。 常用的电子媒介体包括二茂铁及其衍生物、有机染料、醌及其衍生物、四硫富瓦烯（）、四氰基奎诺二甲烷（）、富勒烯和导电有机盐等。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。 等将二茂铁及，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上，用作葡萄糖酶传感器的电子媒介体。这种高分子媒介体能够有效地降低传感器的工作电位，并且能够消除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。 朱邦尚等选用一环糊精与戊二醛缩合成的环糊精聚合物（）为主体，电媒介体，一二甲基二茂铁为客体，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包络物固定到电极上，传感器的稳定性和使用寿命显著提高。采用铂丝电极经铂化处理制备的杂聚吡咯膜，葡萄糖酶电极稳定性良好，问断测定个月，灵敏度仍达原来的左右【制。 粕东辩举薤 直接葡萄糖酶电极 第三代生兹簧感器就是在元媒套俸存在下，鞘掰酶与逛檄鬻戆妻攘毯子传递设诗裁箨葡莓禧赞惑器。与经典酶电极和介体酶电极栩比，既不需要氧分子，也不需要化学介体分子作为电机受体，通常也不需要固态纯载俸，辩是将黧共徐缝合到仡学修镪瞧极上，或将酶垂定潮多巍毫聚合物黪饰电极上，使酶氧化丕滕活性中心与嘏极接透，轰接电子传递就麓够糨对容翳地透行，从丽使电极的响应速度更快、灵敏度更高，粪正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膦、有机导电复合材料膜、金属纳米颗粒或金嚣稳菲金藩缡米颡蕴等引。 年，等将聚毗咯（）微管用于固定化。其方法是通过模板合成法，将毗咯聚合在金筑电极刻蚀膜上，接着，让牢固地吸附在聚毗咯微管内构成传感器。所用的径迹刻蚀膜通常塞聚蘸和聚磺酸鸶鞠成，在微管蠹缳持生戆活性。交予聚虢瓷、聚噻螃等共辘酶聚合簿毫藏震畿在径迹刻蚀膜孑中形成徽管，有人认为这种结构能把酶氧化还原活性中心与电极连接越来，由此制成的生物传感器具有迸撵性好、灵敏凄裹懿特点。等把这一方法避一步改进，采震均匀黪毳获微粒作鸯聚瓣乏咯程酶固定时所依附的雾孑乙基体率芎料，由此制成的葡萄糖生物传感器对葡萄糖测定的线性晌成范围为一国。 张鬻赫等汹采爝乙基纤维素耱乙炔黑导毫复合耪瓣翱餐露定诧麓翡糖蕊彀极。结象裘骥：爰嚣恐媲洗去石蜡的导电复合材料葡萄糖氧化酶撤物传感器县有粒状结构，有利于酶催化反应。利用酱鲁士蘸（）黢修馋豹铂盎慧萄瓣电极能餐效消除摭蝽瞧酸、藤酸的于拢引。 基于金纳米粒子修饰静薷褥糖酶泡极已有大覆的研究掇道。这主要是因灸金缡米翡良好懿导电健、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昴的物理、化学性鹱，款瑟大大城枣了跑子在绘体与受体之瓣霹嚣离，提褰了魄援与匙子志藏豹传递速率泌潮。 蔡新霞等（”将饿氧化还原聚合物与辣根过戴化酶共价交联修饰薄膜金电极，使用戊二醛交联溺定葡萄糖氧化酶制得葡萄糖传感器。该传感器在一（懈。）电位下，背景电流小予，检出限为弘麓，小于磷藏蹰内灵敏度为（）（裙关系数），实现了骶浓寝萄莓糖豹溯定，为发展高最敏度、低检测限、商稳定性的无创血糖枪测传感器奠定了基础。 英袍葡萄糖传感器 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，此产生了备种类型的葡萄糖簧感器。 生物燃料电池 生物燃料电池根据生物催化荆直接把化学能转化为电熊的特性来设计的一种生物传感器。按采用催化剂豹不阕，诞分巍徽生物燃瓣嘏洮帮酶生物燃料电滋。近年求，有关翡研究遂霞主要是酶戆饰逮摄戆垒物燃料电池陋，如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，熟中阳极为葡裁糖氧化酶。将碳纾维直接插入蘩萄糖溶液时，工作电送为，输蹬功率秀。 霹蘸热敏电隘。 热生物传感器（或）是根据酶促反应热释放量的变化来检测底物，换麓器采弼离灵敏痊夔煞敏电阻。磐蔫怨糖激酶热敏电隧传感器溅定蓠萄糖，分掰精发纛工侔寿命符合糕泰要求。等滔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懂定。响应时间为，测定能力为次。 碡毙传感器一 世纪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（ 第期赵晓华，等：葡萄糖生物传感器研究进展）。如在鲁米诺（）发光系统中，葡萄糖氧化酶西定程碳糊电极上，涮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内达到发光强度峰值。葡萄糖浓度在。范熏蠢与发党强度璺线性关系，捡窦隈秀。酽，可应鼹于亩售饺瓣中葡萄糖豹测定汹。微型酶电极 世纪年代，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，各释徽电摄酶碍究与应堵取得了许多避展涵。如采雳与兼容鹣硅作为基底材辩，裁用搬王工艺，采用硅腐蚀及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蠢辍黼），较低豹检测下限），较宽豹捻测范基（），较好的重现性与稳定性，以及易于与处理电路集成等优点留。 微生物传感器 剩滔徽生物细脆代谢过程中产生大量酶静特点，选择麓够大量生成蓠萄糖氧纯酶魏微生耪缁髓。籍其固定在某种载体上而制成的细胞传感器不仅具有酶传感器的所有优点。同时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。采嗣荧光反应作为检测方法时，葡萄糖的浓度在。酶浓度范霞肉与荧竞强震成线性关系汹。 丝网印刷传感器 丝网露剔传感爨是酶电投方法与丝网印刷技本狸结合产生的种全毅概念的生物传感器。上世纪年代以来，基予丝掰露剃电极的生物传感器的研究方面已经有大爨摄道。其显著特点是能够大撤量生产繁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要集中在血糖的测定方蠹。袋典型戆铡子是手掌塑葡蘸蘩俦感器潋及动态蛊糖连续监控系统嚣。 缡语 跌年第一个生物转感器鹣诞生开絷，葡萄糖蒋感器在整个生物传感器发浸过程中翡各个阶段都蠢有重嚣的地位。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熊比拟的，如全世界每年用于逮糖测试的酶电极产量已达到数十亿支。另外，发酵工业中，葡萄糖传感器已广泛遗用于原料分析翻过程控制等。在研究领域，与其健生物传感器裰比，葡萄糖传感器发表论文的院镶一矗占据首位。近年来，纳米生物传感器及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。年期间的论文惑羹大大超过蔫萄耱赞感器，塑葡翡糖生物传感器在整个传感器研究报道麴迎倒没有大熬变纯。这是送为许多新型生物传感器的研究同葡萄糖传感器有关。随着纳米技术、微细加工等技术的应用，超分子化学的概念及分子识别、分子设计的技术已渗透到传感器的设计中，使葡萄糖生物传感器的制备及其应用更加广泛，赢过程分斩、活体检测等方西发挥越来越熏要酶襻霸。 _： 【】张先愚生耪传感器础艺象：铯学王娩鑫壤往， 。，叫，： 。 】，蠢，：。 伍林，曹淑超，易德莲，刘娟，秦晓蓉，欧阳兆辉酶生物传感器的研究避展传感器技术，：（）：。 【。：，。 】，。， ：。 【】滋德荣兰耪传感器戆礤突凌获霸发矮方蠢羁。越窳辩学，（）：。 】，琢蝴】，： 山东科学 ， ，：年 】郭黎平，棼长青，蹇馕。滔琉囊瓦爝谬馋镄蠹裁骜糖传感器酶磁究】东耀大学覆骞然科学舨），：王纪拳，马建标，何炳林生物电化学传感器中的聚合物材料高分子通报（）： ，（）： 朱邦尚，应太林，张晓岚，漆德瑶，二甲基二茂铁盥客体葡萄糖生物传感器上海大学学报（自然科学 版），（）： 【裁吾祥，李青函，张苑奎。锫能徽酶邀极鬣掇诧电位下镳纯遵晓的能力【】肇东理工大学学掇，（）：伍林，曹淑超，易德莲，刘娟，秦晓蓉，欧阳兆辉酶难物传感器的研究进展传感器技术，（）： ， ，。，：。，。，。，： 张国林，灞献华，阚锦睛导电复合材科葡萄糖氧化酶传感器的研究物理化学学报，（）： 王荣，郫晓明，吴霞琴，章宗穰基于普鲁士蓝（）膜修饰铂电极的葡萄糖传感器的研究化学研究与应用， （）：。 唐芳琼，孟宪伟，陈东，冉均阑，苟立，郑昌琼。纳米颗粒增强的葡萄搪生物传感器中国科学，（）：。江丽萍，吴霞琴，朱柳菊，贾能勤，章宗攘基于金纳米的第三代平面型葡狗糖传感器的研究上海师范大学学报 。）：鹤一。 刘红敏，刘春秀，姜利英，刘剑，杨庆德，郭系慧，王利，蔡新霞锇聚合物修饰的低浓度葡萄糖传感器制备与响应特性研究 传感技术学报，（）： 】基丰，谗鑫华。垒狻燃瓣电泡黪邀投毫辱：学健藐骚究【】，国际垒耪嚣学工覆杂志，（）：。 ，（）：。 【， ，（）： 朱连德，朱果逸光导纤维电化学发光葡萄糖传感器的研究分析试验室，（）： 章宗攘，吴霞琴，国雄，来建审莲子徽电子技术酶微型纯学与生锈俦感器。纯学传感器，（）：。，刘敬伟，边超，韩泾鸿，夏善红，陈绍凤新型微电极黼萄糖传感器仪器仪表学报，（）： 朱龙，李元宗，慈云祥。应用于检测体液申葡萄糖含量的微生物传感器研究，化学学报，（）：。耪军动态盘糖连续测定系统【传感器墩器，： 山东科学 ， ，：年 】郭黎平，棼长青，蹇馕。滔琉囊瓦爝谬馋镄蠹裁骜糖传感器酶磁究】东耀大学覆骞然科学舨），：王纪拳，马建标，何炳林生物电化学传感器中的聚合物材料高分子通报（）： ，（）： 朱邦尚，应太林，张晓岚，漆德瑶，二甲基二茂铁盥客体葡萄糖生物传感器上海大学学报（自然科学 版），（）： 【裁吾祥，李青函，张苑奎。锫能徽酶邀极鬣掇诧电位下镳纯遵晓的能力【】肇东理工大学学掇，（）：伍林，曹淑超，易德莲，刘娟，秦晓蓉，欧阳兆辉酶难物传感器的研究进展传感器技术，（）： ， ，。，：。，。，。，： 张国林，灞献华，阚锦睛导电复合材科葡萄糖氧化酶传感器的研究物理化学学报，（）： 王荣，郫晓明，吴霞琴，章宗穰基于普鲁士蓝（）膜修饰铂电极的葡萄糖传感器的研究化学研究与应用， （）：。 唐芳琼，孟宪伟，陈东，冉均阑，苟立，郑昌琼。纳米颗粒增强的葡萄搪生物传感器中国科学，（）：。江丽萍，吴霞琴，朱柳菊，贾能勤，章宗攘基于金纳米的第三代平面型葡狗糖传感器的研究上海师范大学学报 。）：鹤一。 刘红敏，刘春秀，姜利英，刘剑，杨庆德，郭系慧，王利，蔡新霞锇聚合物修饰的低浓度葡萄糖传感器制备与响应特性研究 传感技术学报，（）： 】基丰，谗鑫华。垒狻燃瓣电泡黪邀投毫辱：学健藐骚究【】，国际垒耪嚣学工覆杂志，（）：。 ，（）：。 【， ，（）： 朱连德，朱果逸光导纤维电化学发光葡萄糖传感器的研究分析试验室，（）： 章宗攘，吴霞琴，国雄，来建审莲子徽电子技术酶微型纯学与生锈俦感器。纯学传感器，（）：。，刘敬伟，边超，韩泾鸿，夏善红，陈绍凤新型微电极黼萄糖传感器仪器仪表学报，（）： 朱龙，李元宗，慈云祥。应用于检测体液申葡萄糖含量的微生物传感器研究，化学学报，（）：。耪军动态盘糖连续测定系统【传感器墩器，： _ 葡萄糖生物传感器研究进展 作者： 作者： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：赵晓华， 孟庆军， 毕春元， 张利群， 史建国， ZHAO Xiao-hua， MENG Qing-jun， BIChun-yuan， ZHANG Li-qun， SHI Jian-guo山东省科学院生物研究所,山东省生物传感器重点实验室,山东,济南,250014山东科学SHANDONG SCIENCExx,22(2)2次 _(30条) 1.CLARK L C Reduction of Iron Content in Bleaching Fipous Cellulose 1970 2.伍林;曹淑超;易德莲;刘娟 秦晓蓉 欧阳兆辉 酶生物传感器的研究进展期刊论文-传感器 xx(07) 3.UPDIKE S J;HICKS G P The Enzyme Eletrede外文期刊 1967 4.PAUL D H;LEONID I B;TORU I Amperometric Glucose Biosensors Based on Redox Polymer-MediatedElectron Tranfer 1991(03) 5.王纪孝;马建标;何炳林 生物电化学传感器中的聚合物材料 1999(02) 6.郭黎平;孙长青;高倩 四硫富瓦烯修饰铂为葡萄糖传感器的研究 1994(02) 7.胡军 动态血糖连续测定系统期刊论文-传感器世界 xx(10) 8.朱龙;李元宗;慈云祥 应用于检测体液中葡萄糖含量的微生物传感器研究期刊论文-化学学报 xx(04) 9.刘敬伟;边超;韩泾鸿;夏善红.陈绍凤 新型微电极葡萄糖传感器期刊论文-仪器仪表学报 xx(04) 10.章宗攘;吴霞琴;张国雄;朱建中 基于微电子技术的微型化学与生物传感器期刊论文-化学传感器 xx(03) 11.朱连德;朱果逸 光导纤维电化学发光葡萄糖传感器的研究期刊论文-分析试验室 xx(05) 12.AMINE A;DIGUA K;XIE B A Mierodialysis Probe Coupled with a Miniaturized Thermal Glucose Sensorfor in-Vivo Monitoring外文期刊 1995(13) 13.HAIE P D;INAGAKI T;LEE S H Amperometric Glycolate Sensors Based on Glyeolate Oxidase andPolymeric Electron Transfer Mediators外文期刊 1990 14.CASS A E G Application of Tetrathiafulvalenes in Bioelectrochemical Processes外文期刊 1984 15.冯德荣 生物传感器的研究现状和发展方向 1999(04) 16.GUILBAULT G G;LUBRANO G J An Enzyme Electrode for the Amperometric Determination of Glucose外文期刊 1972 17.CLARK L C;LYONS C Electrode Systems for Continuous Monitoring in Cardinovascular Surgery外文期刊 1962 18.MANO N;MAO F;HELLER A Characteristics of a Miniature Compartment-tessglucose-Biofuel Cell and itsOperation in a Living Plant外文期刊 xx(21) 19.吕丰;许鑫华 生物燃料电池酶电极电化学性能研究期刊论文-国际生物医学工程杂志 xx(02) 20.刘红敏;刘春秀;姜利英;刘剑 杨庆德 郭宗慧 王利 蔡新霞 锇聚合物修饰的低浓度葡萄糖传感器制备与响应特性研究期刊论文-传感技术学报 xx(02) 21.江丽萍;吴霞琴;朱柳