酶生物传感器讲述讲解

酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元,通过各种物理、化学
,实现对目标物定量测定的分析仪器。与传
,酶生物传感器具有独特的优点:选择性高、 反复多
响应快、体积小、可实现在线监测、成本低，便于推广普及。

酶生物传感器;进展;应用新技术
概述
(Biosensor)是一类特殊的化学传感器,通过各种物理、
,然后将反应的
,从而得出被测物的浓度[1]。自
年Clark[2]等人提出把酶与电极结合来测定酶底物的设想后，
年Updike和Hicks[3]研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶电极[2]，
.此后，酶生物传感器引起了各领域
.
通过各种物理、化学信号
.与传统分
酶生物传感辑是由固定化的生物敏感膜和与之密切结合
它把固化酶和电化学传感器结合在一起，因而具有
(1)它既有不溶性酶体系的优点，又具有电化学电极的
;(2)由于酶的专属反应性，使其具有高的选择性，能够直接
.因此，酶生物传感器在生物传感器领域中占
. 生物传感器具有多样性、无试剂分析、操作简便、
,已在食品发酵工业、临
[4-9]。
酶生物传感器的基本结构
(固定化酶膜)和
(基体电极)组成.当酶膜上发生酶促反应时，产生的电活
.基体电极的作用是使化学信号转变为电
(石噩电板、玻碳电
)、R电极及相应的修饰电极.
酶生物传感器的分类
2种。
电化学酶传感器
,具有响应速度快、灵敏度高、稳
,尤为受到重视。二茂铁由于
,得到了广

,从而提高生物
提高传感器稳定性的主要方法是利用环糊精
,形成主客体结构。如孙康等[10]以β-环糊精与戊二醛缩合而
(β-CDP)为主体,电子媒介体二茂铁为客体,形成稳定的
,制成了葡萄糖、乳糖生物传感器。再如朱邦尚等[10]以电子媒
1,1-二甲基二茂铁为客体与β-CDP形成稳定的主客体包络物。
如马全红等[12]以二茂铁为电子
,将含有丰富酪氨酸酶的蘑菇组织肉浆固定在二茂铁(PVC膜)
L-酪氨酸的线性响应范围为2.0
10-4～4.5×10-3mol/L,响应时间小于5 min,电极寿命至少30 d,可

Nafion
[13]以基于丝网印刷技术制作的碳糊电极为基底电极,
,Nafion修饰厚膜碳糊电极制成了葡萄糖传感
Nafion膜既可以防止二茂铁的流失,又可以防止抗坏血酸、尿酸
,具有防污能力。该传感器的检测上限可达18 mmol/L,响应时
60s。
,易受抗坏血酸的干
N-甲基吩嗪则可以消除抗坏血酸等的干扰。李海虹等[14]通过
(HRP)固定在Eastman-AQ—N-甲基吩嗪修
,制成过氧化氢生物传感器。将它与GOD和半乳糖苷酶结合,
,用于葡萄糖和乳糖的测定。王朝
[15]利用N-甲基吩嗪作为媒介体,通过牛血清白蛋白和戊二醛使其结
HRP生物传感器。该酶电极对H2O2有良好的
,对H
O2的线性范围为1×10-6～5×10-4mol/L,检出限为10-7mol/L,
10 s。
[16]研究

了锇-聚乙烯
[Os(bpy)
(PVI)10Cl]Cl配位聚合物和Nafion双层膜修饰玻碳电
,该膜对肾上腺素的电化学氧化有催化作用,对肾上
1.0×10-6～8.6×10-5mol/L,相关系数为0.9987。
,常用的媒介体还有苯醌、对苯二酚和甲苯胺兰等。
光化学酶传感器
β-葡萄糖甙酶和能进行换能反应
Luminol分别固定在壳质胺和大孔阴离子交换剂的柱中,组成流动
β-葡萄糖甙酶催化下分解生成的CN-(分子识
)与溶解氧反应生
,继而同Luminol反应产生化学反应(换能反
)。这一新型生物传感器的化学发光强度与苦杏仁甙量在1～200μ
之间呈良好线性关系,检出限为0.3μg,相对标准偏差为3.1%,并具
,将GOD固定在碳糊
,制成了光导纤维电化学发光葡萄糖生物传感器。葡萄糖的酶
鲁米诺的电化学氧化和化学发光反应可以在电极表面同时
,响应时间仅为10 s,线性范围宽,葡萄糖浓
1.0×10-5～2.0×10-2mol/L范围内与发光强度呈线性关系,检出
6.4×10-6mol/L,可应用于市售饮料中葡萄糖的测定。
酶生物传感器的工作原理
待测底物进入酶层的内部并参与反应，大
当反应达到稳
.因此，
.器可分为电位型和电流型两类传感器.电位型传感辑是指
它与被测物质之间服从能斯特
.而电流型传感器是以酶促反应所引起的物质量的变化转变成电
输出电流大小直接与底物浓度有关.电流型传.器与电位
.
酶生物传感器的发展
第一代酶生物传感器

响应信号与氧分压或溶解氧关系较大，溶解氧的变化可能引起

由于氧的糟解度有限，当溶解氧贫乏时，难以对高含量底物进

当由酶促反应产生的过氧化氢以足够高的浓度存在时，可能会

需采用较正的电位，抗坏血酸和尿酸等电活性物质也会披氧化，
.
第二代酶生物传感器
现在普遍采用的是第二代酶
第二代生物传感器采用了含有电子媒介体的化学修饰层.
.电子媒介体

第三代酶生物传感器
是生物传感
.这种传感器与氧或其它电子受体无关，无需媒
即所谓无媒介体传感器，但由于酶分子的电话性中心深埋在分
且在电极表面吸附后易发生变形，使得酶与电极间难以进
.
C过氧化物酶、超氧化物歧化酶、黄嘿岭氧化酶、微过氧化物酶
.
酶传感器中应用的新技术
纳米技术
,提高电极的响应
首先,纳米颗粒增强GOD在载体表面上的固定作用;其次是定
,分子在定向之后,其功能会有所改善;第三,由于金、铂纳米颗
,可以作为固定化酶之间、固定
,从而使得GOD的氧化还原中心与
,酶与电极间可以近似
这样就有效地提高了传感器的电流响应灵
孟宪伟等[17]首次研究了二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗粒
,其效果明显优于这3种纳米颗
其原因是纳米粒子具
,复合纳米颗粒比单
,降低电子在电极和固定

化酶间
,提高电子迁移率,有效地加速了酶的再生过程,因此复合

基因重组技术
[18]将黑曲霉GOD基因重组进大肠杆菌、酵母穿梭质粒,转
,构建出GOD。GOD力达426.63 u/mg蛋白,是商品黑
GOD的1.6倍,催化效率更高。重组酵母GOD的高活力特性可有

溶胶-凝胶技术
-凝胶应用于生物传感器领域具有如下一些优点[19]:(1)基质在
,适于光化学生物传感器的制作;(2)基质具有一定
,提高了生物活性物质的热稳定性;(3)基质热稳定性好,并且
,对生物活性物质的失活作用很小,保持了活性;(4)通过
-凝胶制备条件的优化,可控制基质的孔径大小和分布,使酶分子
,从而提高传感器的
;(5)溶胶-凝胶材料还具有生物相容性,为微电极植入人体
;(6)还可通过对先驱体的功能化赋予溶胶-凝胶新
;(7)溶胶-凝胶的制备条件十分温和,生物分子可以在不同的
,并且可以制成不同大小与形状的修饰电极等。溶胶-
,开辟了制备生物传感器的新领域。以溶
-凝胶技术固定生物活性物质的生物传感器的基本构型有电极型生
-凝胶法制作生物传感器的文章
,但大多处于实验室阶段。
提高传感器综合性能的其他技术
如
2-乙基己基酯钠盐(AOT)反胶束包埋酶
GOD构象和化活性的影响。结果发现随GOD/AOT比值的减小,响应
,这意味着大大增加了酶的催化活性和酶构象的稳定

,进而保护酶的催化活性,使酶电极的电流响应具有稳定性和
,即用三乙基氧嗡四氟化硼代替
,使固定化过氧化氢酶膜的性能有很大改善。原因是前者
“手臂”分子长,与其他欲连接的基团接触容易,最后使单位面积上
,性能良好。制备多电子媒介体和联酶的生物传
如郭鼎力等[31]研制了
-氧
,具有灵敏度高、准确性好、
测量迅速的夹心式生物传感器。该传感器对正常到高度异常
,测量相对误差是3.9%～7.5%,相关系数为0.9881;而对
5.8%～7.6%和0.9549。
结束语
[20],实现酶氧化还原活性
,此问题的关键是要缩短电子隧道距离。就目前酶生物传感
,由电化学法控制有机导电高分子材料制作酶生物传感
,是一种很有发展前途的酶生物传感器;通过纳米复合材料来增强
2
,还需要对它们进行大量的研究工作。如果能
2种方法有效地结合起来,可能会推动第三代生物传感器的研
:在导电单体成膜之前,探讨在合适条件下,向底液中加入改
,通过电化学法有效地控制电极上导电复合材
,同时,利用纳米二氧化硅大的比表面积具有吸附生物酶
,实现响应速度快的第三代酶生物传感器的研制。

司士辉.生物传感器[M].第一版.北京:化学工业出社,2003:1.
Clark L C, Lyons C. Electrode systems for
cardinovascular surgery[J].AnnNYAcad Sc,i 1962, 102: 29.
王建龙,张悦,施汉昌,等.生物传感器在环境污染监测中的应用

研
[J].生物技术通报,2000,3:13-18.
武文斌.生物传感器及其在微生物检测中的应用评价[J].海军医
,2007,28(4):374-376.
皇甫亚宏.生物传感器在发酵工业及环境监测领域中的研究与应
[J].内蒙古石油化工,2007,8:397-399.
宋丽,宋宝东,蒋亚庆.酶的固定化及在生物传感器的应用[J].化
,2006,23(11):54-56.
佟巍,张纪梅,张丽.电化学生物传感器的应用研究进展[J].武警
,2008,17(1):62-64.
董文宾,徐颖,姜海英,等.生物传感器及其在食品分析中的应用
陕西科技大学学报,2004,22(1):57-61.
孙康,李仲辉,陈孝康.主客体葡萄糖、乳糖生物传感器的研制[J].
,2001,13(4):376-379.
朱邦尚,应太林,张晓岚,等.β-CDP-1,1’二甲基二茂铁主客体葡
糖生物传感器[J].上海大学学报(自然科学
),1999,5(4):353-357.
马全红,邓家祺.蘑菇组织膜—二茂铁修饰的L-酪氨酸传感器[J].
(英文版),2000,16(1):106-110.
贾能勤,高林,孙翠钰,等.Ferrocene-Nafion修饰厚膜碳糊电极
葡萄糖传感器研究[J].上海师范大学学报(自然科学
),1998,27(4):39-43.
李海虹,严少华,漆德瑶,等.环糊精交联固定酶的生物传感器及
[J].生物化学与生物物理进展,1998,25(1):162-166.
王朝瑾,应太林,吴芯芯,等.N-甲基吩嗪为介体辣根过氧化物酶
感器的研究[J].生物化学与生物物理学
,1998,30(6):641-643.
龚毅,叶蕾,陈洪渊,等.锇-聚乙烯吲哚配合物修饰电极对肾上腺
[J].高等学校化学学报,2000,21(2):202-205.
糖生物传感器[J].化学通报,2001,(6):365-367.
周亚凤,张先恩,刘虹.黑曲霉葡萄糖氧化酶基因的克隆及其在酵
[J].生物工程学报,2001,17(4):400-406.
钱军民.氧化纤维素和溶胶-凝胶材料的制备、性能及其固定化葡
[D].西安:西安交通大学,2001.3.
伍林,曹淑超,易德莲,等. 酶生物传感器的研究进展[J]. 传感
,
2005,24(7):4-9.