无酶葡萄糖传感器技术研究进展

2019-02-03

葡萄糖传感器技术的开发可以分为四代。第一代葡萄糖传感器依赖于在电极上固定一种催化酶,如葡萄糖氧化酶(GOx)。GOx 作为葡萄糖和氧气反应的催化剂。葡萄糖在电极处被氧化,形成葡萄糖内脂和过氧化氢。因此可以通过检测电极产生的过氧化氢量来确定初始样品中葡萄糖的浓度。然而,这个反应需要氧气为反应介质,所以第一代传感器无法有效地检测氧气缺陷样本。第一代传感器还存在另一个问题是血液中存在抗坏血酸、尿酸等电源性物质的干扰。

第二代葡萄糖传感器技术是使用非生理的人工介质,如二茂铁衍生物、清华贴等去代替第一代氧气介质,同时促进电子传输过程。第二代葡萄糖传感器固然能克服第一代葡萄糖传感器的一些缺陷,但其性能和灵敏度仍然受介质pH 变化和电极表面温度、适度变化的影响。

第三代葡萄糖传感器技术是通过在电极上固定一种酶来消除对反应介质的需要,使电子直接从酶转移到电极。然而第三代葡萄糖传感器仍因为酶活性受温度湿度影响的原因受到限制。

根据第三代葡萄糖传感器所遇到的问题,研究人员开始研究不含酶的检测方法。这就迎来了第四代葡萄糖传感器技术——无酶葡萄糖(NEG)传感器技术。它使得葡萄糖在电极表面被直接氧化,克服了前三带葡萄糖传感器的一些缺陷。在这篇文章中,我将讲述最具影响力的第四代传感器——NEG 传感器。

1 基于金属和金属化合物的葡萄糖传感器

在过去对于基于各种金属电极的葡萄糖传感器的研究当中表明作用的机理是在不同的金属催化剂电极作用下葡萄糖发生电氧化。最常见的是基于金属的葡萄糖传感器。Pt作为电极利用循环伏安法,在pH7 的环境下可以观察到三个氧化峰,第一个是化学吸附和葡萄糖脱氢,第二个是水的分解产生氢离子和氢氧根离子,第三个则是由于葡萄糖的氧化。Pt 电极材料存在对电极表面积依赖高,降低人体物质电活性和选择性,成本高等缺点。最近也出现了许多方法来克服纯铂电极的缺陷,如Pt 的合金,但其存在不稳定和氯中毒风险等问题。而出于高度放大的电极区域,特别是纳米级别的处理可以增强葡萄糖氧化产生的电流,进而出现多孔铂支撑结构,如介孔Pt、高阶Pt纳米管阵列和纳米孔Pt 电极等。Au 对葡萄糖的氧化反应有较高的电催化活性,Auction 电极氧化葡萄糖是一个多步骤的过程,随着pH的升高氢氧根离子会被化学吸附在Au 表面形成AuOH 这一催化物。然而Au 的化学吸附能力并没有Pt 强,在中性和碱性环境下,Au 表面还会结合氨基酸,影响电氧化进程,进而出现在Au 电极表面镀上原子(PtCuAg 等)级别的镀层的方法。Ni 电极材料表面会在一定电位下立即氧化成氢氧化物状态,而不是一个含水层。此外,根据Ni 电极上的葡萄糖氧化循环伏安图可以看出,Ni 表面没有因吸附产生污垢,Ni 电极的缺点主要是在酸性或中性条件下无法进行电催化以及乙醇的竞争干扰会影响血糖检测。为了解决普通Ni 电极的这些缺点,出现了高表面积的Ni 纳米结构材料,如三维多孔Ni 纳米结构。Cu 的电催化作用机理与Ni 相似,而Cu 的成本远低于Pt Au,所有出现了许多基于Cu 的传感器,较为常见的使用Cu 的泡沫结构,由于其较大的表面积和孔隙体积,提高了葡萄糖的线性检测范围和灵敏度。

金属氧化物具有良好电化学生物传感性能,已经在NEG传感器中得到了很好的应用,而利用最先进的纳米制造技术,已经开发处具有各种形态和结构的金属氧化物。Cu 的氧化物中,CuO 有着高电化学活性,低成本,无毒且可以用其他材料进行修饰改性等优点。目前的研究主要围绕在CuO 纳米结构,如Caoet al 报道了将CuO 纳米颗粒嵌入到CuO 微纤维的制备方法。其他的几种金属氧化物如镍氧化物、铁氧化物、钴氧化物、银氧化物和钌氧化物也被用于改善NEG传感器的电化学性能。

2 基于复合材料的葡萄糖传感器

最近几年研究中使用的材料并不是简单的金属或者金属氧化物,而是采用复合材料或者混合材料,整合不同材料的有利性能,如金属的导电性大、有机材料的选择性高和金属氧化物的电催化活性高。在最近的研究当中,出现了使用合金和双金属作为电极配偶剂。电极通常基于金属,如PtPbAuAgPdRhCoCu Ni 等组合。一些研究表明二元、三元和较高的Pt/Pb 合金复合材料是最活跃的电催化剂。此外,在非酶法伏安测量中,Pt/Pb 合金复合材料对葡萄糖的催化氧化电位高于纯Pt 这使得Pt/Pb 合金对于干扰物质具有更强的电阻性。

3 基于碳纳米材料的葡萄糖传感器

碳材料由于其是电化学惰性物并有着巨大的电子导性,被广泛用于电化学生物传感器的制备。由于纳米技术的兴起,许多基于碳的纳米材料的NEG 传感器被开发出来,如碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、参杂类金刚石、炭黑和纳米金刚石等。

碳纳米管(CNTs)因其具有具有很大的表面积,良好的力学性能和良好的导电性被广泛应用于各种电子生物传感器中。而其独特的一维空心管状纳米结构能够使其有效的捕捉和促进电子从分析物到电极表面。大多数基于CNTs NEG 传感器都是通过与金属或金属氧化物纳米结构材料结合而功能化的。如采用共弧放电法制备的CuO/SWCNT 复合材料比纯CuO SWCNT 传感器具有更高的葡萄糖检测能力,常见的还有MnO2/MWNTs 纳米复合材料,CuO/MWNTs 纳米复合物等。

自石墨烯及其衍生物首次被发现以来,因其作为电化学生物传感器的潜在应用引起了极大的关注。它有三个主要的电气特征,首先石墨烯是具有零带隙的半金属,其次通过调节栅极电压可以改变石墨烯中电荷载体的类型,第三电荷载流子被识别为无质量的狄拉克费米子,室温下可以在微米范围内移动而不散射。所以石墨烯具有较大表面积、低电荷转移电阻和快速电子传递率等特性。并且石墨烯形状与碳纳米馆十分相似,可以称之为为压缩的碳纳米管,因此,与碳纳米管相似,功能化石墨烯也可用于金属纳米可以甚至与原子参杂。

4 结论

从本篇综述中,可以看出大多数的NEG传感器的性能取决于电极材料将葡萄糖氧化的能力。目前的研究主要致力于开发新的电极材料和改进电极材料制作过程。早期研究中,PtAuNiCu、和Ag 等金属以及镍氧化物、铁氧化物、钴氧化物和银氧化物得到了一定的应用。而在之后,出现了有着优良电催化能力的金属与金属或者金属与金属化合物的混合物作为电极材料,如合金、金属/ 金属氧化物混合物。聚合物改性复合材料由于其生物相容性好灵敏度高也被用作电极材料。同时,纳米材料的研究也为集成电化学NEG 传感器带来希望。

然而,电化学NEG 传感器还存在许多问题导致其难以商业化,如生物相容性差,成本高,耗时长。而在未来的研究方向或许会是低浓度检测葡萄糖、通过集成实现的便携式传感器技术和可以实现连续监测的植入式传感器技术,还可考虑光化学检测方法降低噪声。

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