[文章编号]1671)8178(2007)04)0105)03
纳米材料在葡萄糖电化学传感器上的应用
彭 颐 胡柏林
(湖北职业技术学院医学院,湖北孝感432000)
[摘 要]葡萄糖氧化酶与纳米粒子连接形成的纳米级结构,为葡萄糖的检测提供了新的思路。文章回顾了各种新的纳米粒子与葡萄糖氧化酶组成的系列用于葡萄糖的检测方法,并对其应用前景进行了展
望。
[关键词]纳米粒子;葡萄糖氧化酶;电化学[中图分类号]O65
[文献标识码]A
[收稿日期]2007-11-10
[作者简介]彭颐(1971-),女,湖北孝感人,硕士,湖北职业技术学院医学院讲师,主要研究分析化学。
糖尿病是一种常见的代谢紊乱性或内分泌疾病,可诱发肾、心血管、视网膜和神经系统产生多种并发症,其死亡率仅次于心血管、肿瘤,居第三位,被列为世界三大疾病之一。糖尿病在我国发病率也比较高。因此,血液中葡萄糖的精确测定对于糖尿病的诊断和长期护理非常关键。除了临床葡萄糖分析,葡萄糖检测装置也应用于生物技术和食品工业。这种广泛的应用领域大大促进了葡萄糖传感器的发展和多样化。
生物传感器是能将被测物的浓度与可测量的电信号关联起来,原理如图所示。被测物质通过扩散进入生物敏感膜层,经分子识别、发生生化反应后,所产生的信息被相应的物理转换器转换成与被测物浓度相关的电信号。生物敏感膜又称分子识别元件,是生物传感器的关键部分。其所含生物组分可以是酶、组织、细菌、酵母、抗体/抗原等。其中研究
和应用最多的是酶传感器。
图1 葡萄糖生物传感器原理图
1 葡萄糖氧化酶传感器
葡萄糖氧化酶(g l u cose ox idase ,GOD ),1928年由M uller 等发现,此后,N eka m atsu 、Kone li a 、Yoshio 等先后对其作了大量的研究并投入生产,F iedurek 和Rogalski 等对酶单位的增加做了大量的研究工作,尤
其对葡萄糖氧化酶的辅基-黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD )做了深入的研究,并给出了详细的说明,目前该酶在临床检测和食品工业有广泛的用途。葡萄糖传感器就是利用葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖的专一性,检测各种物质中的葡萄糖含量,葡萄糖传感器在生物和医学上有着极其重要的应用价值。
1962年,C lar k 和Lyons 提出将酶与电极结合,可以通过检测其酶催化反应所消耗的氧来测定葡萄糖的含量。1967年,Updi k e 和H icks 首次研制出以铂(Pt)电极为基体的第一支葡萄糖氧化酶电极,通过检测酶反应的产物H 2O 2来测定葡萄糖含量。至此,葡萄糖氧化酶电极经过三代的发展。
第一代酶生物传感器是以氧为中继体的电催化酶层:GOD ox +葡萄糖y GOD R ed +葡萄糖酸(1-1)
GOD R ed +O 2y GOD ox +H 2O 2(1-2)电极:H 2O 2y O 2+2H +
+2e -
(1-3)第一代葡萄糖氧化酶传感器存在以下一些缺点:1溶解氧的变化可能影响电极响应的波动;o氧的溶解度有限,当溶解氧贫乏时,相应电流明显下降,从而影响检出限;?生物传感器的响应性能受溶液中p H 及温度的影响很大。
第二代酶生物传感器是以媒介体
修饰剂为基础的电催化
酶层:GOD ox +葡萄糖y GOD R ed +葡萄糖酸(1-4)
修饰层:GOD R ed +M ox y
GOD ox +M R ed (1-5)
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105#第10卷第4期湖北职业技术学院学报N o .4Vo.l 102007年12月
Journa l o fH ube iVocati o na l-Technical Co llege
Dec .2007
第二代葡萄糖氧化酶传感器增加了化学修饰层,其目的是为了扩大基体电极可测物质范围及提高测定灵敏度
第三代酶生物传感器是酶在电极上的直接电催化酶层:GOD ox+葡萄糖y GOD R ed+葡萄糖酸(1-6)
电极:GOD ox y GOD Red+ne-(1-7)
酶直接电化学已成为葡萄糖氧化酶传感器的重要发展方向。存在的主要问题有固定化酶的不稳定性和膜表面在生理环境中的玷污。
2纳米材料的性质
纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度调制的各种材料。其特殊的结构导致它有许多优良的特性。
2.1表面效应
当物质的直径减少到纳米尺度时,会引起它的表面原子数、表面积和表面能的大幅度增加。由于表面原子的周围缺少相邻的原子,使得物质出现大量剩余的悬键而具有不饱和的性质。具有高度的活性且极不稳定。所以很容易与外界原子结合,形成稳定的结构。在应用上主要表现在能有效地增大比表面积。
2.2体积效应
也叫小尺寸效应。随着物质尺寸的量变,在一定条件下会引起物质的性质的质变。纳米颗粒尺寸小,比表面积大,在熔点、磁性、热阻、电学性能、光学性能、化学活性和催化性等方面发生了奇特的变化。该效应为其应用开拓了广阔的新领域。
2.3量子尺寸效应
该效应指微粒尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级,从而使纳米材料具有一系列特殊性质,如特异性催化,强氧化性和还原性。
2.4宏观量子隧道效应
微观粒子具有穿越势垒的能力称之为隧道效应。这一效应与量子尺寸效应一起,确定了微电子器件进一步微型化的极限,也限定了采用磁带、磁盘进行信息存储的最短时间。
3纳米材料在葡萄糖传感器中的应用
纳米粒子存在着比表面积大,表面反应活性高,表面活性中心多,催化效率高,吸附能力强等优异性质,在第三代葡萄糖传感器中得到广泛应用。
吴保艳[1]用壳聚糖,聚丙烯胺,纳米金颗粒将葡萄糖氧化酶固定在铂电极上,先将干净的铂电极浸入聚丙烯胺中,然后将纳米金颗粒固定上,最后固定葡萄糖氧化酶(GOD)。然后将这个复合电极浸入到壳聚糖中,再依次固定纳米金颗粒和葡萄糖氧化酶,组成了一个六层的自组装电极。发现纳米金颗粒能显著加快被分析物和电极表面的电子转移。葡萄糖浓度在0.5~16mM呈线性关系,最低检测限7. 0L M,反应时间8s以内。而且有着很好的重现性,稳定性,抗干扰性。
李静[2]等用铂纳米簇、聚吡咯、聚邻氨基苯酚修饰玻碳电极,然后固定葡萄糖氧化酶制成葡萄糖传感器。葡萄糖浓度在1.5@10-6~1.3@10-2M呈线性关系,检测限为4.5@10-7M,大大降低AA,UA,对乙酰氨基酚等活性物质的干扰。
吴保艳[3]用多壁碳纳米管、纳米金颗粒,葡萄糖氧化酶修饰在铂电极上制成的葡萄糖传感器,葡萄糖浓度在0.1~10m M呈线性关系,检测限为6. 7L M,反应时间快(7s以内),能有效降低AA,UA,对乙酰氨基酚等活性物质的干扰。
R iccarda Anti o ch ia[4]用聚(1-乙烯咪唑基)12-[锇(4,4.-二甲基-2,2.-邻联吡啶)2C l2]2+修饰碳纳米糊电极,然后固定葡萄糖脱氢酶制成的传感器成功地用于酒精饮料中葡萄糖的测定。检测限为10L M,线性达到8@10-4m o l/L,好的重现性(RSD =2.1%,n=6),稳定性(4e干燥保存1个星期)。
Yang M inghui[5]通过电沉积的方法制得铂纳米线阵列,平均直径为250n m,高度为2L M,并制成了纳米阵列铂电极,纳米阵列电极能改善信噪比,降低检测限。由于纳米阵列铂电极有着较大的表面积,能够弥补常规铂电极的不足,在很低的电位下能使过氧化氢产生响应,线性范围为1@10-7~6@10-2M,灵敏度扩大了50倍。将葡萄糖氧化酶固定在纳米阵列铂电极上制成的传感器已用于真血中葡萄糖的检测,线性范围是1@ 10-6~3@10-2M,有较好的抗干扰性。
Ba i yu[6]利用2-氨基乙硫醇为胶联剂,制成纳米金颗粒和多孔性二氧化硅的复合物,修饰金电极,制成的葡萄糖传感用于葡萄糖的检测,得到了很好的效果:响应速度快(7S以内),宽的线性范围(0.02 ~14mM),高灵敏度(6.1L Am M-1c m-2),还有很好的重现性和稳定性。
ZouYongJi n[7]将聚苯胺,普鲁士蓝和多壁碳纳米管混合,修饰玻碳电极,在上面固定葡萄糖氧化酶,再将Na fi o n和戊二醛覆盖在葡萄糖氧化酶上面制成的生物传感器,用于过氧化氢的检测,线性范围(8@ 10-8~1@10-5M),灵敏度高(508.18L A L M-1c m-2)除此之外还有着良好的重现性、稳定性和抗干扰性。
ChuX ia[8]在金电极的表面自组装一层半胱胺的薄膜,利用其-SH和碳纳米管的羧基结合,将碳纳米管固定其上,在恒电位-0.25v下,将C NT/金电极浸泡在
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彭颐胡柏林:纳米材料在葡萄糖电化学传感器上的应用
H2Pt C l6溶液中富集5分钟,制成Pt nano/C NT/go l d电极。随后在上述电极表面自组装一层S H(C H2)6S H膜,再固定纳米金,制成Au n ano/Pt n ano/C NT/go l d电极,将葡萄糖氧化酶滴注在上面,用Nafi o n覆盖,防止GOD流失。这个酶电极表现出了极好的电催化性能,在没有媒介体存在的情况下实现了对葡萄糖的快速响应,并且有着极宽的线性范围(0.5to17.5m M)和重现性(R=0.996)。
Y ang H a i P eng[9]将金纳米簇和纳米Si O2颗粒制成纳米复合材料固定葡萄糖氧化酶制成的电化学传感器,对葡萄糖响应快,灵敏度高(3.85L Am M-1),线性范围宽(0.27~4.08m M),最低检测线(1. 5L M),并且比单独的金纳米簇和单独的纳米Si O2颗粒修饰的电化学传感器效果好。
从中可以看出,固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性,提高电极的响应电流值。首先,这是由于纳米颗粒比表面积大、表面自由能高,因而GOD可以在纳米颗粒表面得到强有力的固定。GOD 在酶膜中结合很差,被纳米颗粒吸附之后不易在测试溶液中流失,增加了GOD在水中的稳定性。而且因为纳米颗粒具有吸附浓缩效应,可以显著提高电极的电流响应。其次是定向作用,纳米颗粒的吸附场能引起颗粒的整齐排列,这样吸附在纳米颗粒上的GOD就具有定向作用。分子在定向之后,其功能会有所改善,如H oshi[10]使GOD分子定向,可以使GOD的响应电流提高10倍以上。同时由于金、铂、碳纳米管等纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应,可以作为固定化酶之间、固定化酶与电极之间有效的电子中介体,从而使得葡萄糖氧化酶的氧化还原中心(F AD)与铂电极间通过金属颗粒进行电子转移成为可能,酶与电极间可以近似看作是一种导线来联系的,有效的提高了传感器的电流响应灵敏度。
这些纳米颗粒因其不寻常的几何性、机械性、电子学,生物化学等特性,可以提供和蛋白质分子氧化还原相类似的温和的微环境,并且给了蛋白质分子更自由的方位感。而且酶固定在这些纳米颗粒上不变性,仍保持生物活性,所以在生物传感器中得到广泛应用。
为了提高传感器的电子效应,人们还选择了复合纳米颗粒,构成连续势场,使电子很容易从高位向低位流动,降低电子在电极和固定化酶间的迁移阻力,提高电子迁移率,有效的加速了酶的再生过程,提高了传感器的电流响应。
4展望
纳米粒子的应用实现了酶在电极上的直接电催化,并通过了电化学方法的检测。这些电化学传感器具有高的灵敏度,高的选择性,线性范围宽,响应时间快等优点,可以与光学检测方法相媲美。通过对酶的固定化研究,对灵敏度和选择性的深入探讨,基于纳米粒子的葡萄糖传感器将对葡萄糖的检测将产生巨大的影响。期望在未来研究中产生新的基于纳米粒子的电化学检测方法,结合不断产生的新技术,开发出更加高效的,使用方便的葡萄糖检测装置。
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(特约审稿人:吕少仿)
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(责任编辑:樊红霞)
On Cultural Role of Gustati onW ords B et w een Chi nese and English
JI A NG H ong
(Guangx iUn i v ersity Gu ili n,Guangx i530004)
Abst ract:U sed by Ch i n ese people andW estern people respecti v ely,Chinese and Eng lish belong to d ifferent language fa m ilies.There ex ist cu ltura l differences but log ical likeness bet w een t h e m.Th is eassy ai m s to offer so m e approaches and exa m ples f o r co m parative lingu isti c s research by analyzing d ifferent cu ltural connota ti o ns bet w een Chinese gustation words and Eng lish ones on basis of t h e ir objective un ification o f se m antic indication.
K ey W ords:Gustation W o r ds;Chief Sy m bo lic M ean i n g;Ex tensi v ely Sy mbolic M ean i n g;Further Cult u ra l Features.
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On For mation of New CyberW ords
LI Jun
(Schoo l of Fore i g n Languages,Changzhou Institute of Techno l o gy Changzhou,Ji a ngsu213002)
Abst ract:N e w wo r ds developed fro m net w orking techno logy gradua ll y i n fluence people.s w ay o f w ork and life.Th is paper ex e m plifies so m e m eans o fword f o r m ation--der i v ation,co m poundi n g,blendi n g,neology,cre-ation,abbrev iation,etc.
K ey W ords:N et w ork;Ne w Eng lish W ords;W ord For m ati o n.
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Application of Nano-materials on E lectroche m istry GOD B iosensors
PENG Y iHU Bai-li n
(M ed ica l Schoo,l H ubeiVocational-Techn ica lCo llege X iaogan,H ube i432100)
Abst ract:A str ucture i n length o f nano m eters by li n k o fGOD and parti c les opens a ne w approach to electr-i ca ll y detecting g lucose.Th is article rev ie w s a series o f detecti n g m ethods,and prospects the ir app lication future.
K ey W ords:N ano-particle;GOD;E lectroche m istry.
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