葡萄糖酶传感器发展历程的三个阶段

来源: 发布时间：2014-10-31  

　　葡萄糖酶传感器的发展与应用1962年，Clark和Lyons报道了第一个葡萄糖氧化酶电极。其后，经过半个世纪的努力，葡萄糖酶传感器的研究和应用已经取得了很大的发展。1967年Updike和Hicks首次研制出以铂电极作为基体，将葡萄糖氧化酶固定在凝胶中的葡萄糖氧化酶(GOD)电极，并且将其用于定量检测血清中葡萄糖含量。
　　1972年，Guilbault和Montalvo通过将脲酶固定在氨电极上制备出尿素传感器，并提出使用电位型葡萄糖酶传感器。1973年，Nilsson等人首次研制出电位型葡萄糖酶传感器。
　　根据葡萄糖传感器检测葡萄糖过程中所涉及的电电荷传递机理，电流型葡萄糖传感器的发展历程可归结为三个阶段。

　　第一代电流型葡萄糖酶传感器利用氧气作为电极与葡萄糖氧化酶之间的电子介体传递电子，葡萄糖氧化酶在葡萄糖的存在下将氧气还原成过氧化氢，因此过氧化氢浓度的增加或者氧气浓度的下降与葡萄糖浓度的变化成正比，可以通过检测其反应过程中氧气消耗的浓度或者过氧化氢增加的浓度确定葡萄糖浓度。其电子传递过程如图1–2所示。然而，这类传感器存在背景电流大、极易受检测环境中氧气与过氧化氢浓度的影响、抗干扰性能、重复性和稳定性差的缺点。

　　第二代葡萄糖酶传感器利用电子介体代替氧气作为电子受体，克服了第一代葡萄糖酶传感器受氧气限制的缺点。这些电子介体能够实现电子在酶的氧化还原中心与工作电极表面之间的快速传递，并且能够往复传递电子，加快了工作电极与酶之间的电子传递，从而能够加速电极反应。其传感器的工作原理如图1–3所示。对于这类传感器，如何设计与选择酶、电子介体与工作电极之间的结构是提高传感器的电子传导效率的关键。这些电子介体通常需要满足两个条件：（1）同时具有快速的异相电极反应动力学以及均相酶反应动力学；（2）对氧稳定且无毒，并且能够在相对较低的电位下发生氧化反应。这些电子介体通常包括铁/铁氰化钾、对苯二酚、二茂铁和一些有机染料。对于这类传感器，其电子介体与氧气会发生相互竞争，仍然会受到环境中氧气的影响，同时由于电子介体大多是小分子，自身体积小，传感器很容易出现电子介体渗漏以及由此引发的毒性问题，因此限制了这类传感器在体内的应用。

　　第三代葡萄糖酶传感器是基于酶与工作电极之间直接电子传递而设计的，与经典酶电极和介体酶电极相比，既不需要氧分子，也不使用电子介体作为电子受体，因而能够避免第一代传感器受氧气限制，以及第二代传感器中电子介体渗透、与氧气竞争等引发的问题。这类传感器是将酶直接固定在工作电极表面，使酶活性中心与电极表面接近，酶与工作电极之间的直接电子传递容易进行，成功避免了以往传感器所受到的干扰，因此传感器的响应速度更快，灵敏度更高，抗干扰能力更好。对于这类传感器电极，其电子交换的速率取决于电极材料、电极与电解质界面性质以及酶的性质。

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