葡萄糖生物传感器研究进展 (1)|生物传感器检测葡萄糖
第２２卷第２期
２００９年４月山东科学Ｖｄ．２２Ｎｏ．２ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥＡｐｒ．２００９文章编号：１００２－４０２６｛２００９）０２—００３４－０５
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２５∞１４）
摘要：总结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１２．３文献标识码：Ａ
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＧｌｕｃｏｓｅＢｉｏｓｅｎｓｏｒ
ＺＨＡＯＸｉａｏ－ｈｕａ，ＭＥＮＧＱｉｎｇ－ｊａｎ，ＢＩＣｈｕｎ－ｙｕａｎ，ＺＨＡＮＧｌＪ—ｑｕｎ，ＳＨＩＪｉａｎ—ｇｕｏ’
（ＳｈａｎｄｏｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＢｉｏｓｅｎｓｏｒｓ；ＢｉｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆ＆据ｎ删，Ｊ／ｎａｎ
２５００１４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｇｌｕｃｏｓｅｂｉｏｓｅｎｓｏｒａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｃｈａｒａｃｔｅｒａｎｄ
ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｒｅｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓａｎｄｏｔｈｅｒｔｙｐｅｓｏｆｇｌｕｃｏｓｅ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ。Ｗｅａｌｓｏｐｒｅｄｉｃｔｉｔｓｆｕｔｕｒｅｗｏｒｋｉｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｌｕｃｏｓｅ；ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ；ｐｒｏｇｒｅｓｓ
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；第二，１９５４年，Ｃｌａｒｋ建立了氧电极分析方法。１９５６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Ｃｌａｒｋ电极理论，自２０世纪６０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ｊ。
１经典葡萄糖酶电极
１９６２年，Ｃｌａｒｋ和ｂｏｎｓ发表了第一篇关予酶电极的论文渔ｌ。１９６７年Ｕｐｄｉｋ和Ｈｉｃｋｓ首次研制出以铂电极为基体的葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）电极，用于定量检测血清中的葡萄糖含量［３］。这标志着第一代生物传感器的收稿日期：２００８－０８—２３
作赣简介：赵晓华（１９６２一），曩程师，研究方向为生物传感器。
＊通讯作者．Ｅ－ｍａｉｈｓｈｉｊｇ＠ｋｅｙｌａｂ．ｎｅｔ．
第２期赵晓华，等：葡萄糖生物传感器研究进展３５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ＨＪ。
为了避免氧干扰，１９７０年，Ｃｌａｒｋ对其设计的装置进行改进后，可以较准确地测定Ｈ２０２的产生量，从而间接测定葡萄糖的含量ｂ］。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Ｈ，ｏ，有当量关系，不受血液中氧浓度变化的影响。
早期的Ｈ２０２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（Ｃｌａｒｋ型），即通过一层选择性气透膜（聚乙烯膜获ｔｅｆｌｏｎ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（ＢＳＡ）．多聚甲醛膜法、牛血清白蛋白一戊二醛交联法等。１９７２年，Ｇｕｉｌｂａｕｌｔ在铂电极上覆盖一层掺有葡萄糖氧化酶的选择性膜，保存１０个月后相应电极上响应的稳定电流只减少了０．１％，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［６］。这一技术被美国Ｙｅｌｌｏｗ
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１９８６年研制成功，商品化产品主要有ＳＢＡ葡萄糖生物传感器［７］。该传感器选用固定化葡萄糖氧化酶与ＳｐｒｉｎｇｓＩｎｓｔｒｔｍａｅｎｔ（ＹＳＩ）公司采用，于１９７５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２５肚，进样后２０ｓ可测出样品中葡萄糖含量，在１０。１０００ｍｇ／Ｌ范围内具良好的线性关系，连续测定２０次的变异系数小于２％。
２介体葡萄糖酶电极
在葡萄糖氧化酶电极中引入化学介体（ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｄｉａｔｏｒ）取代０２／Ｈ２０２，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０２，也不涉及Ｈ２０２，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。
Ｃａｓｓ等阳１将ＧＯＤ固定在石墨电极（ｇｒａｐｈｉｔｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）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ＧＯＤ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１。
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（ＴＴＦ）、四氰基奎诺二甲烷（ＴＣＮＱ）、富勒烯和导电有机盐等ｎ０｜。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¨１｜。
Ｐａｕｌ等ｎ２３将二茂铁及ｌ，１’．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，并且能够消除来自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１０ｓ。
朱邦尚等¨３３选用Ｂ一环糊精与戊二醛缩合成的Ｂ．环糊精聚合物（Ｂ．ＣＤＰ）为主体，电媒介体，１’２一二甲基二茂铁为客体，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／ＧＯＤ膜，葡萄糖酶电极稳定性良好，问断测定３个月，灵敏度仍达原来的７０％左右【ｌ制。
粕东辩举２００９薤
３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ｉ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ｌｌ引。
１９９２年，Ｋｏｏｐａｌ等¨６３将聚毗咯（ＰＰｙ）微管用于固定化ＧＯＤ。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ＧＯＤ牢固地吸附在聚毗咯微管内构成ＧＯＤ／ＰＰｙ传感器。所用的径迹刻蚀膜通常塞聚蘸和聚磺酸鸶鞠成，ＧＯＤ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Ｌ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。Ｋｏｏｐａｌ等ｎ７１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ｌ一国ｍｍｏｌ／Ｌ。
张鬻赫等汹ｌ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（ＰＢ）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｝ｌ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ｊ。
蔡新霞等（２”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。该传感器在一０．１Ｖ（懈。ＡｇｌＡｇＣｌ）电位下，背景电流小予１ｎＡ，检出限为１弘麓，小于４００磷藏蹰内灵敏度为２９００（ｎＡ／ｔｍｍｌ／Ｌ）（裙关系数Ｒ＝０．９９８），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。
４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，Ｅｌｌ此产生了备种类型的葡萄糖簧感器。
４．１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ｊ，如Ｍａｎｏ等∞１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ＧＯＤ。将碳纾维直接插入蘩萄糖溶液时，工作电送为０＋５２Ｖ，输蹬功率秀２。４
霹．２蘸热敏电隘ｕｗ。
热生物传感器（ｔｈｅｒｍａｌｂｉｏｓｅｎｓｏｒ或ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃｂｉｏｓｅｎｓｏｒ）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。Ａｍｉｎｅ等滔ｊ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２４ｈ懂定。响应时间为８５ｓ，测定能力为４２次／ｈ。
碡．３毙传感器一
２０世纪８０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（ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃａｌ
第２期赵晓华，等：葡萄糖生物传感器研究进展３７ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ）。如在鲁米诺（ｈｕｎｉｎ０１）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１０ｓ内达到发光强度峰值。葡萄糖浓度在１．０×１０５。２．０×１０２ｍｏｌ／Ｌ范熏蠢与发党强度璺线性关系，捡窦隈秀６。４×ｌ酽ｍｏｔ／Ｌ，可应鼹于亩售饺瓣中葡萄糖豹测定汹ｊ。４．４微型酶电极
２０世纪９０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３。如采雳与ｉｃ兼容鹣硅作为基底材辩，裁用ＭＥＭＳ搬王工艺，采用硅腐蚀及ＳＵ８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≤ｌＩｎｔｎｘ１黼），较低豹检测下限≤ｌｘ１０４ｍｏｔ／Ｌ），较宽豹捻测范基（１×１０４～ｌ×ｌＯ－５ｔｏｏｌ／Ｌ），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ｊ。
４．５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１。０×１０４。３．６Ｘｌ◇７ｍｏｌ／Ｌ酶浓度范霞肉与荧竞强震成线性关系汹１。
４．６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３。
５缡语
跌１９６２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ＤＮＡ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２００１。２００８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。
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３８山东科学
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万方数据
葡萄糖生物传感器研究进展
作者：
作者单位：
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 SCIENCE2009,22(2)2次
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