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酶电极传感器与无酶电极传感器的定义及区别

  生物传感器技术具有较高专一性和灵敏度,被广泛运用于复杂体系的在线分析和检测,在临床诊断、分析化学、食品检测、医药分析、化工等领域都具有良好发展前景。

  生物传感器技术是分析生物科学的一个分支,渗透于分析化学、生物学、生命科学、物理学等多个学科。而对于生物传感器来说主要分为两个部分,分别为识别系统与信号转换系统。

  特定物质经过识别系统能与传感器发生特异性反应,是传感器具有识别性的关键,突出了对检测物质的专一性。作为识别系统检测物质可以为蛋白质、酶、抗原抗体、DNA、核酸、生物膜、细胞、组织、微生物等材料,按识别材料的种类就可以将生物传感器分为酶传感器、免疫传感器、细胞传感器等。另一部分信号转换系统是将特定物质与识别系统发生的特异性反应转换为我们能够识别的信息(如光、热、电信息)放大并输出,按信号的转换方式又可以将传感器分为光生物传感器、电化学生物传感器等。

  由于电信号具有响应速度快、便于转换获取、数据分析简单直观等特点,电化学生物传感器成为发展最早,研究内容及成果最为丰富,应用最为广泛的传感器。电化学生物传感器主要是以电极作为信息转换材料,将物质特异性反应过程转换为电信号,利用电信号的大小间接的表示反应物的浓度大小。其中,酶电极的发展在生物传感器领域最具有代表性。

  酶电极是研究最为广泛的生物传感器,其中主要是由于酶具有灵敏度高、专一性好、仪器简单、相应速度快等特点。酶电极生物传感器指的是以生物酶作为识别单元,将生物酶固定于经修饰后的电极表面。当测试底物中存在与生物酶所对应的特定物质会将其催化氧化,反应过程就会在电极表面产生电子交换,通过检测电流的变化情况来反应所发生的化学反应,从而来表示读物质的浓度变化。但是,生物酶通常有一个或几个金属离子构成的氧化还原活性中心,大部分的活性中心都深埋在蛋白质肽链中,使得酶活性中心很难实现与电极表面直接进行电子交换。

  为解决酶的活性中心与电极之间的电荷转移问题,生物酶电化学传感器主要发展有三个阶段。

  第一阶段的酶电极以氧气作为电子受体,以葡萄糖氧化酶传感器为例,反应过程如(1)、(2)。GOx (FAD) 氧化态葡萄糖酶将葡萄糖氧化为葡萄糖内酯酸,同时还原态酶GOx(FADH2) 将溶液中氧气还原为过氧化氢,通过测定反应过程中氧气或过氧化氢的浓度变化量来间接测定葡萄糖浓度。但这一阶段的传感器极易受环境中氧气的影响,抗干扰能力差。

  第二阶段的传感器是在生物酶与电极之间增加用于电子传递的介体层,替代氧气作为电子受休,克服了受干扰性的问题。利用可快速进行氧化还原反应的介体材料作为酶活性中心与电极表面电子传递的中间体,反应过程如 (3)、(4)、(5)。氧化态酶氧化底物转化为还原态酶,同时将介体物质还原氧化的过程将反应电荷传递至电极表面,通过电荷量来表示反应底物浓度。但介体材料容易扩散,这对介体材料的固定提出了更高要求。

  第三阶段的酶电极传感器不需要氧或介体作为电子受体,而是利用化学方法把生物酶蛋白肽链打开将酶活性中心暴露或对电极表面进行特殊处理,将生物酶固定于电极表面,在催化氧化反应物的同时直接与电极发生电荷交换,反应过程如(6)、(7)。然而,受生物酶自身性质电子传输效率仍然有限。

  在酶电极传感器中,酶的活性是决定传感器稳定性、灵敏性的关键因素,但在酶固定过程容易变性失活,同时酶的活性也容易受周围环境如湿度、温度、以及化学因素的影响,并且酶在固定过程中可能出现泄漏,一些生物酶的成本较高。从而提出了利用某些具有多个氧化价态的金属、金属氧化物、合金等作为催化材料代替生物酶固定于电极表面来催化氧化待测物的方法。对于物质在电极表面催化氧化的理论有两种氧化机理被普遍认可。

  以葡萄糖在电极表明氧化为例。第一种为相邻位点吸附理论,认为吸附在电极表面的葡萄糖被氧化时,葡萄糖分子中半缩醛碳上的C-H键断裂,氢原子和半缩醛碳同时在电极表面形成化学键,如图1所示。

  第二种为中间体氧化理论,金属原子在被葡萄糖分子吸附时形成金属离子膜,金属离子将吸附的葡萄糖分子氧化为葡萄糖内酯酸,离子膜在电极表面还原为金属原子从而实现电荷交换,如图2所示。

  目前,已有很多对于无酶传感器的研究,葡萄糖无酶传感器研究最为广泛。比如有利用贵金属Pt、Au、Pd作为葡萄糖催化材料制作电极的无酶传感器,过渡金属Ni、Cu以及其氧化物经修饰处理后制作传感器电极,多种金属或氧化为杂化后制作的电极等。虽然,无酶传感器不受酶活性影响,但也存在一些问题,比如贵金属 Pt、Au的成本较高,虽然对葡萄糖具有良好的催化活性,但溶液中的Cl-易在电极表面发生吸附;Pd纳米粒子容易发生聚合;过渡金属Ni、Cu以及其氧化物虽然具有较高灵敏度,但具有对葡萄糖检测的线性范围窄等问题。无酶传感器极易受化学环境影响,对检测环境有较高要求,所以一般都在缓冲溶液中进行检测。

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