葡萄糖生物傳感器的研究進展

糖尿病已成為一個社會健康問題，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),血糖濃度過高會導致高血糖癥或胰島素不足,進而引起糖尿病。因此,在各個領域(如醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測以及食品分析)中尋求一種快速、可靠和廉價的葡萄糖檢測方法極其重要。本文以檢測方法中是否存在酶,對葡萄糖檢測方法分類進行綜述,并對葡萄糖的檢測方法的發(fā)展趨勢進行了展望。1信號轉換檢測葡萄糖濃度葡萄糖檢測裝置通常主要由識別元件和信號轉換器組成。識別部分為生物活性物質(zhì)(如酶、細胞組織、DNA和有機分子等),其受到底物的刺激,做出相應的反應。信號轉換器是一種能量轉換,可將葡萄糖濃度轉換到可以被檢測到的另一種信號,如電化學信號、光學信號等,而通過研究分析這些信號,可獲得葡萄糖的含量。最近幾年,采用固化酶的方法檢測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換方式可分為電化學酶生物傳感器、光化學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自從1962年Clark與Lyons首次將葡萄糖酶與鉑電極結合,實現(xiàn)了固化酶技術用于實時檢測人體血液中的葡萄糖含量,提出了葡萄糖酶傳感器這個初步概念之后,電化學方法已受到了廣泛的關注。1995年,Kayakin等利用普魯士藍電催化過氧化氫并與葡萄糖氧化酶結合,間接測定了葡萄糖濃度。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,進而間接檢測了葡萄糖的含量。而卟啉及其衍生物特別是金屬卟啉化合物對生物分子可進行有效的識別。2005年,Zhao等通過層層自組裝方法將多層薄膜有機聚合物與普魯士藍納米粒子以及葡萄糖氧化酶結合(PDDA/PSS/(P-PB/GOx)n)測定了葡萄糖的含量,該方法中普魯士藍充當電子傳遞的接受體(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與葡萄糖氧化酶結合,利用交流阻抗對葡萄糖進行了電化學傳感檢測。2011年,Hu等采用選擇性的硼去保護化方法,將葡萄糖酶與對氨基苯硼酸頻哪醇酯結合,制得了碳糊電極,進而電化學檢測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合進而改進生物傳感器的性能。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)結合,結果表明,金納米粒子具有很好的電子轉移性能,可更好地促進電極和HRP之間的電子轉移,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,結果表明,金納米粒子對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結合(GOD/Au-MWCNT/Nafion)檢測葡萄糖含量。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合得到聚合物膜,將其與GOx和HRP二者結合(GOx/HRP/Ag/CNT/Ch/ITO)檢測葡萄糖和過氧化氫的含量。2008年,Liu等將SWCNHs與GOx結合并且采用二茂鐵羧酸作為媒介體檢測葡萄糖的含量,該傳感器具有靈敏度高、檢測限低以及選擇性好等優(yōu)點。2010年,Zhu和Xu綜述了SWCNHs的應用。2010年,Alwarappan等采用酶摻雜石墨烯納米片來增強葡萄糖生物傳感,該方法使用聚吡咯-石墨烯-GOx電化學檢測葡萄糖的含量,如圖1所示。2008年,Wang依據(jù)電子轉移的機制不同,將電化學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行電子轉移,如圖2所示。1.1.1應如式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,直接或間接檢測底物含量的傳感器。反應如式(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移機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待測底物的濃度,反應如式(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移機理如圖3所示。該傳感器由于使用了電子媒介體,可有效地促進電子轉移,因此,克服了第一代生物傳感器溶解氧濃度不穩(wěn)定性和測定過氧化氫時常伴隨干擾的不足。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移型傳感器,或將酶修飾到帶孔的電聚合物電極上,使酶的活性中心部位與電極相接近,這樣易于進行電子傳遞。此傳感器主要優(yōu)勢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雜性與局限性。但該傳感器供體和受體對的空間分離是關鍵性的挑戰(zhàn)。1.2提高葡萄糖含量的方法光化學方法為葡萄糖濃度的檢測提供了另一種方法,該法通常具有靈敏度高、選擇性和重現(xiàn)性好等優(yōu)點。依據(jù)檢測原理,光化學傳感器可分為2種:一種是依據(jù)光(熒光及化學發(fā)光等)信號;另一種是依據(jù)表面等離子體共振信號。最近幾年,利用熒光和化學發(fā)光檢測物質(zhì)已引起了人們的廣泛關注,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,可以測定葡萄糖的含量。如2012年,Huang等采用熒光能量共振轉移(FRET),結合金納米粒子與酶,高靈敏地檢測了過氧化氫、葡萄糖以及尿酸的含量,如圖4所示。Wang等利用化學發(fā)光流動生物傳感器檢測葡萄糖的含量,該傳感器結合魯米諾和Mg-Al碳酸鹽層狀雙氫氧化物(Mg-Al-CO3LDHs)檢測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也被用于檢測葡萄糖的含量,其中一種局部表面等離子體共振(LSPR)光學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,電化學發(fā)光也是檢測葡萄糖濃度的一種方法,但它是一種混合系統(tǒng),結合了電化學和光學檢測器方法。目前在許多領域廣泛地研究了電化學發(fā)光的重要性,并在射流系統(tǒng)中利用電化學發(fā)光檢測器代替激光感應的熒光檢測。另外,Liu等利用GOx/AuNP/sol-gel/Au催化魯米諾電化學發(fā)光的原理制備了葡萄糖生物傳感器。1.3其他常用的檢測方法利用葡萄糖氧化酶系統(tǒng)檢測葡萄糖的一些其它方法已經(jīng)得到應用,這些方法提供了不同的思路,如分子印記傳感器、測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葡萄糖無酶試驗體系無酶傳感器可以通過電化學方法、熒光方法和比色方法等檢測葡萄糖的含量。2.1不同的血清中織物采用葡萄糖酶檢測葡萄糖發(fā)展的同時,無酶葡萄糖生物傳感器也逐漸被人們關注。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檢測葡萄糖的含量。2008年,Wang等基于納米多孔Pt/Pb網(wǎng)絡進行無酶電化學葡萄糖濃度的檢測。2010年,Toghill和Compton綜述了無酶電化學葡萄糖傳感器的優(yōu)點與不足。Chen等使用Pd納米粒子來修飾功能化CNTs進行了無酶的電流型葡萄糖含量檢測。Yang等通過MWCNTs和銅納米立方體復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)復合材料電催化氧化葡萄糖。這些無酶電化學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格昂貴等。2.2近紅外熒光蒸餾該傳感器應用較為廣泛,2012年,Yum等將SWCNT與硼酸結合,采用近紅外熒光淬滅效應檢測葡萄糖的濃度,如圖6所示。Ibey等利用樹狀分子熒光基團配合物檢測了葡萄糖的含量。Billingsley等采用熒光納米光極檢測了葡萄糖的濃度。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物質(zhì)濃度的一種方法。該方法對顯色反應和反應條件要求比較嚴格,但是該方法可靠、低廉且穩(wěn)定,因此,將其用于檢測待測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了葡萄糖的含量。Lim等利用比色傳感器系列檢測和識別了糖類物質(zhì)。3具有很強的抗干擾能力本文論述了葡萄糖酶生物傳感器檢測方法和無酶葡萄糖生物傳感器檢測方法,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