无酶葡萄糖电化学传感器的研究

无酶葡萄糖电化学传感器的研究

葡萄糖是生命过程中的重要化合物，其分析和检测对人类健康和疾病的诊断、治疗和控制非常重要。因此,葡萄糖传感器的研究一直为化学与生物传感器研究的热点。其中葡萄糖电化学传感器是最早研制的生物传感器。按有无使用酶用于构建生物传感器可将葡萄糖电化学传感器分为基于酶的葡萄糖电化学传感器和无酶葡萄糖电化学传感器。最常见的葡萄糖电化学传感器是基于葡萄糖氧化酶催化结合Clark氧电极构建的葡萄糖分析方法,该法利用了酶具有专一性高、反应速度快的特点。然而,基于酶的葡萄糖电化学传感器存在许多不足而在实际应用中受到了一定的条件限制。因此,无酶葡萄糖电化学传感器的研制成为葡萄糖电化学传感器的另一个研究热点。Park等人2006年在AnalyticaChimicaActa上评述了无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展,具体讨论了无酶葡萄糖电化学传感器的优点及其研制难点,阐述了葡萄糖在铂电极、金电极、铜电极、镍电极等电极材料上的电催化氧化机理,并根据电化学检测方法的不同将无酶葡萄糖电化学传感器作了简单的分类,主要分为三类,分别是:电位式、伏安法和电流型葡萄糖电化学传感器。电位式无酶葡萄糖传感器的响应模式是通过葡萄糖与敏感物质的反应使得电位发生变化从而实现对葡萄糖的测定。该类型传感器适合于检测浓度大于10-5M的葡萄糖溶液。电位测定可与多通道阵列传感器相互兼容并且仅需简单的操作电路,因此当电位型的无酶葡萄糖传感器与传统的离子选择性电极例如pH电极结为一体时将散发强大的魅力。Shoji和Freund使用带有硼酸的聚合物膜作为电极修饰材料用于电位式葡萄糖传感器的研制。当存在有机二醇分子时,电位随着硼酸分子与二醇分子之间的结合常数的不同而发生变化,是一类很有发展前景的无酶葡萄糖电化学传感器。然而该方法对葡萄糖分子的选择性较差,对果糖的响应灵敏度远远高于对葡萄糖的响应灵敏度。伏安型无酶葡萄糖传感器则采用伏安法检测溶液中的葡萄糖。Choi等人在金电极表面上组装带有巯基的α-环糊精单层膜,由于二茂铁被捕获在α-环糊精的笼状结构中因而该修饰电极能够在电化学反应过程中产生安培电流。当该电极放入含有葡萄糖的溶液中后,葡萄糖取代二茂铁而使电流随着葡萄糖浓度的增加成比例的下降,进而间接地检测葡萄糖。Arimori等人则在葡萄糖的传感材料中引入了带有两个硼酸分子以选择性的识别D-葡萄糖的识别分子。当该识别分子与荧光团连接时,所构建的传感材料对糖类分子的识别将通过荧光团产生光学信号,可用于制备葡萄糖的光学传感器;而若该识别分子与二茂铁连接时,二茂铁作为伏安电流的信号输出单元而使该传感材料能够用于制备葡萄糖的电化学传感器。电流型无酶葡萄糖传感器是无酶葡萄糖电化学传感器中研究最多的一类,该类传感器通常采用计时电流法对溶液中的葡萄糖的进行分析测定。该类型传感器最早使用的电极材料有稀有金属(如铂、金)、过渡金属(如铜、镍)及合金。发展至今,多种金属、合金材料及其纳米材料都被用于该类型传感器的研制,是研究最多的一类无酶葡萄糖电化学传感器。因此,本文重点评述电流型无酶葡萄糖传感器所使用的各种类型的电极材料,总结最近五年各种新型结构材料在无酶葡萄糖传感器研制方面的应用,并对其发展方向和趋势进行展望。1基于传统材料的无酶葡萄糖电压试剂1.1金电极修饰法铂和金是无酶葡萄糖电化学传感器中最早使用的电极材料。特别是铂电极在酸性、中性和碱性溶液中对葡萄糖的电催化氧化机理已作了详细的研究。但是铂电极和金电极在电催化氧化葡萄糖方面仍然存在许多不足。首先,在电催化氧化过程中,铂电极和金电极的表面容易吸附中间产物而使电极中毒,需要用其它电化学方法将吸附在其表面的物质除去以获得新鲜的表面才能继续用于分析检测,且检测灵敏度较低,该类电极不能用恒电位计时电流法对葡萄糖进行检测;其次,铂电极和金电极对葡萄糖的检测缺乏选择性,很多碳水化合物都可以在相同的电位下在铂电极及金电极上与葡萄糖一起被催化氧化;另外,该类电极都容易受到氯离子的毒化而丧失对葡萄糖的电催化氧化活性。以上缺点限制了铂电极和金电极的实际应用。为了克服铂电极和金电极在电催化氧化葡萄糖时的缺陷,引入了脉冲安培检测法以提高铂电极和金电极对葡萄糖的响应性能。然而,在使用该方法时,由于不断地给电极施加脉冲电流以除去电极表面吸附的物质而得到新鲜的电极表面,使得电极表面金属不断溶解而损坏电极。因此,人们通过对铂电极和金电极表面进行修饰以期能够提高铂电极和金电极对葡萄糖的响应性能。例如,Bi、Pb和Ti在铂电极表面上的沉积,可以使阳极电流提高一个数量级,并且能够抑制氢原子在铂电极上吸附形成内酯而导致的电极中毒现象。Wittstock等人在此基础上进一步研究了Bi修饰的铂电极在碱性溶液中对葡萄糖的电催化行为,为在铂修饰电极上用恒电位计时电流法检测碳水化合物提供理论基础。Aoun等人对比研究了表面修饰有Cu、Ag、Ru、Pt、Pd和Cd等金属的金电极在0.1M氢氧化钠溶液中对葡萄糖的电催化氧化性能,结果表明吸附有Ag原子单层且其表面覆盖度为30%时的金电极对葡萄糖具有较高的催化活性且催化氧化电位最低,这可能是由于Ag原子的吸附促使金电极表面形成了AuOH的活性位点,因此降低了葡萄糖的氧化电位。Matsumoto等人在金电极表面上修饰一层汞金属后提高了电极对葡萄糖的氧化峰电流,这是由于在汞修饰的金电极上增加了OH-在电极表面上的吸附而使该电极的响应电流有很大的增强。Bindra和Wilson则在金电极的表面上修饰Nafion和胶原质以提高金电极在用脉冲安培法检测葡萄糖时对葡萄糖的选择性。1.2修饰电极制备的电化学检测过渡金属铜和镍也被用于葡萄糖电化学传感器电极的研制。与铂电极和金电极相比,用铜和镍制备的电极其优点在于可以直接用恒电位计时电流法对溶液中的葡萄糖进行检测,且电极材料的价格低廉。铜电极和镍电极对葡萄糖的电催化氧化需要碱性的介质,在使用前通常需要将电极进行预氧化,通常认为葡萄糖在镍电极上的电催化氧化是Ni(OH)2/NiOOH参与的过程;而铜电极在碱性溶液中对葡萄糖的电催化氧化机理虽然尚有争论,但通常认为是Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅲ)参与的过程。在该类电极上,随着电化学反应的进行,电极表面也将逐渐被腐蚀而钝化,并且铜电极和镍电极同样对葡萄糖等碳水化合物的电催化氧化没有选择性。因此,人们应用各种技术制备了各种基于铜和镍的修饰电极,以改善该类电极对葡萄糖的响应性能,并不断探索该类电极的实际应用价值。D’Eramo等人用电化学方法在玻碳电极表面上形成聚-1-柰胺后再在该聚合物上进一步沉积铜微粒,得到的修饰电极可作高效液相色谱检测器,检测葡萄糖及各种碳水化合物。Zhang等人将具有多孔结构的氧化亚铜微立方体修饰到玻碳电极表面后用于溶液中葡萄糖的电化学检测也得到了满意的结果。Casella等人用电化学方法将铜沉积到金电极表面上形成铜微粒均匀分散的金修饰电极,该电极用于葡萄糖检测时显示出很好的稳定性和选择性。Berchmans等人用Ni(OH)2/NiOOH修饰玻碳电极并考察该电极对葡萄糖、抗坏血酸、乳酸和过氧化氢等物质的响应性能,指出了该电极在高效液相色谱检测器方面的应用价值。Salimi等人制备了含有镍粉与Nafion的石墨碳陶瓷电极,该电极在低电位(0.45Vvs.Ag/AgCl)下对葡萄糖具有很好的响应性能,并且由于电极上Nafton的修饰可在一定程度上减小血糖检测中干扰物质的影响。1.3修饰电极对葡萄糖的催化氧化特性合金作为无酶葡萄糖电化学传感器的电极材料由于其综合了构成合金的各金属的优点,而使其对葡萄糖的检测灵敏度和选择性有了很大的提高。Sun等人用组合的方法研究了基于Pt、Pb、Au、Pd及Rh五种元素的合金对葡萄糖的电催化氧化性能,得出对葡萄糖电催化氧化性能最好的电极是Pt和Pb的合金电极(Pt2Pb),该电极对葡萄糖的电催化氧化电位比铂电极更低,并且该电极对抗坏血酸、尿酸和乙酰氨基苯酚等的催化氧化电位高于对葡萄糖的催化氧化电位,因此该电极对葡萄糖的检测具有很好的选择性。Wang等人用水热法在钛金属基底上一步合成三维的PtPb网状结构,由该材料制备的修饰电极对葡萄糖的响应灵敏度高,且由于对葡萄糖的催化氧化电位较低,因此有效降低了干扰物质如抗坏血酸、尿酸等物质的干扰。Yeo和Mho等人对比研究了铜分别与Ni、Fe和Mn形成的合金电极对葡萄糖的电催化氧化性能,结果表明可能是由于葡萄糖分子在Mn位点的预吸附而使得Mn5Cu95合金电极在0.1M氢氧化钠溶液中对葡萄糖的催化氧化电流相对于铜电极有较大的提高。Pham等人用离子注入方法在镍表面制备与铜、钛以及铜和钛的各种合金,对比研究了该系列合金电极与镍电极在碱性溶液中对葡萄糖的电催化氧化行为,结果表明合金电极对葡萄糖具有更高的电催化活性。Yeo等人研究铜镍合金(NixCu100-x(x=10、25、50、75))对葡萄糖和其它有机小分子的电催化氧化性能,结果表明与铜电极和镍电极相比,Ni10Cu90电极在碱性溶液中对葡萄糖和氨基乙酸的响应性能有很显著的提高,这是由于在阳极氧化过程中铜和镍具有良好的协同催化作用。1.4葡萄糖传感器电极Manesh等人用电纺丝的方法在ITO玻璃上沉积聚亚乙烯基氰和聚氨基苯基硼酸纳米纤维复合膜作为葡萄糖传感器的工作电极,该电极对葡萄糖具有很好的响应性能。此外,还可以在电极表面上修饰各种酞菁染料以提高电极在碱性溶液中对葡萄糖的电催化氧化性能。2无酶葡萄糖电化学传感器的研制随着材料制备技术的发展,各种铂及金的纳米多孔结构、铂纳米管阵列、金及铂纳米颗粒、碳纳米管、铜及镍纳米颗粒等都被用于无酶葡萄糖电化学传感器修饰电极的研制,为无酶葡萄糖电化学传感器的研制注入了新的活力。2.1多壁碳纳米管修饰碳纳米管具有较高的导电性、良好的化学稳定性和显著的机械强度而备受各领域研究者的青睐。研究表明碳纳米管可以提高电极与一些重要生物分子之间的电子传递速率,这一结果也迅速用于无酶葡萄糖电化学传感器的研究。由于碳纳米管可以加速各种糖类分子在电极上的电催化氧化,因此碳纳米管修饰电极能够高灵敏、稳定和快速的检测这些糖类分子。但是,又有相关研究表明碳纳米管对葡萄糖的电催化活性并不是来自于碳纳米管本身,而是来自于在制备碳纳米管过程中残留的金属杂质。例如,Batchelor-McAuley等人的研究结果也证实了多壁碳纳米管对葡萄糖的电催化氧化作用是来自于碳纳米管中的残留杂质即氧化铜纳米颗粒。Nafion由于具有独特的离子交换功能、分子识别功能和生物兼容性而被广泛用于电极的表面修饰。在Wang等人发现碳纳米管可以溶解在Nafion中后,一方面由于碳纳米管可提高电极的电催化活性,另一方面电极上Nafion的修饰可提高电极在葡萄糖检测中的选择性,因此各种修饰有碳纳米管和Nafion的修饰电极得到了发展。Rong和Li等人将铂纳米颗粒沉积到碳纳米管后修饰到玻碳电极表面上,并在修饰电极的表面上进一步修饰Nafion膜以提高电极的选择性,得到的电极对葡萄糖具有很好的灵敏度、选择性和长期的稳定性。Cui等人在多壁碳纳米管上沉积两层Pt-Pb的纳米颗粒(中间用Nafion隔开)后,得到的PtPb/Nafion/PtPb/MWCNT电极能在中性磷酸缓冲溶液中灵敏并选择性的检测葡萄糖。Kang和Make等人将碳纳米管和铜纳米颗粒溶于Nafion后修饰到玻碳电极表面上,所制得的修饰电极可在碱性溶液中实现对葡萄糖的电化学检测。Li等人将PtRu纳米颗粒和多壁碳纳米管共修饰电极用于葡萄糖的电化学检测也得到了良好的结果。2.2金纳米颗粒修饰的金电极制备及电化学传感器的使用由于在铂电极和金电极上,抗坏血酸、尿酸和醋氨酚等葡萄糖测定时的干扰物质的电催化氧化是受扩散控制过程,仅受电极表观几何面积的影响(如图1A所示);而葡萄糖的电催化氧化是动力学控制过程,该过程对电极的实际面积非常灵敏,高的表面粗糙度(电极的实际面积和几何面积之比)有利于提高受动力学控制的电化学过程的法拉弟电流(如图1B所示)。因此,人们根据在铂电极和金电极上葡萄糖与抗坏血酸等干扰物质的电催化氧化机理的不同,通过各种手段提高铂电极和金电极的表面粗糙度以提高铂电极和金电极对葡萄糖的响应灵敏度和选择性(如图1所示)。在此基础上,Park等人制备了中孔以及纳米多孔的铂电极用于葡萄糖的检测得到了很好的结果。Song等人在金电极表面上紧密堆积二氧化硅形成蛋白石的结构后,再在该结构上电沉积铂金属后除去二氧化硅,即可在金电极表面上得到三维有序的大孔铂膜,修饰了该膜的金电极对葡萄糖的响应具有很好的选择性和灵敏度。Chou等人在氯化锌-1-乙基-3-甲基咪唑鎓离子液体中用电化学方法沉积和溶解铂锌合金得到具有纳米多孔结构的铂电极,该电极对葡萄糖的检测同样具有很好的选择性及抗干扰能力。Yuan等人用铝模板方法制备铂纳米管阵列修饰的电极用于葡萄糖的检测也得到了满意的结果。Li等人用具有开放性结构的大孔铜膜为模板通过流电置换反应和电化学脱合金腐蚀技术制备了多孔的金膜,由该多孔金膜制备的电极对葡萄糖有很好的选择性响应,能在很大程度上抑制抗坏血酸、尿酸和醋氨酚等血糖检测中干扰物质的影响。Cho等人制备的多孔金电极同样是由于提高了电极表面的实际面积而能够高灵敏的检测葡萄糖且不受抗坏血酸的干扰。Shin等人用电化学沉积方法以具有纳米多孔结构的阳极氧化铝为模版在金电极表面上合成了金的纳米柱阵列,由于该电极上金的纳米柱状阵列结构使其对葡萄糖具有较大的电催化活性表面,因而增强了该电极对葡萄糖的电催化氧化性能。Zhou等人以多孔氧化铝为模板制备了金纳米管阵列修饰的电极,该电极用于溶液中葡萄糖检测时,由于电极上的纳米管阵列结构有效地提高了电极的比表面,因此该电极对葡萄糖具有较高的响应灵敏度。此外,铂和金的纳米颗粒也被用于无酶葡萄糖电化学传感器的研制。Jena等人用3-巯基丙基-三甲氧基硅烷制备了带有巯基的二氧化硅,由于巯基的存在而使金纳米颗粒被均匀的分散在二氧化硅网络结构中,用该方法制备的金纳米颗粒修饰电极对葡萄糖的检测具有很好的灵敏度、稳定性和重现性,并且由于葡萄糖与抗坏血酸的氧化电位不同,因而能很好的避免抗坏血酸等物质的干扰。Kurniawan等人对比了金纳米颗粒修饰的金电极与没有修饰的金电极在碱性溶液中对葡萄糖的响应情况,得出在相同条件下金纳米颗粒修饰的电极对葡萄糖的催化氧化电流高于没有修饰的金电极。Scavetta等人用电沉积方法在玻碳电极表面上合成了铂纳米颗粒后,进一步在铂纳米颗粒表面上沉积硝酸镍铝,并讨论了该修饰电极对乙醇和葡萄糖的响应情况,结果表明该电极对乙醇和葡萄糖的电催化氧化性能与修饰有硝酸镍铝的铂电极类似但检测线性范围较宽。2.3修饰修饰电极的制备根据铜、镍及其化合物修饰的电极在葡萄糖电化学检测中的优缺点,修饰有铜纳米颗粒和镍纳米颗粒的修饰电极也被用于无酶葡萄糖电化学传感器的研制,以期能够进一步改进该类电极在葡萄糖检测中存在的选择性和稳定性问题。Liu等人将聚乙烯吡咯烷酮包裹的铜纳米颗粒修饰到金电极表面上,在葡萄糖检测过程中,由于在电化学反应中产生的铜离子与聚乙烯吡咯烷酮的酰氨基结合形成络合物而避免电极表面的腐蚀和溶解,因而增加了电极的稳定性。Xu等人用微波合成法合成了丁二酮肟功能