無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研究

葡萄糖是生命過程中的重要化合物，其分析和檢測對人類健康和疾病的診斷、治療和控制非常重要。因此,葡萄糖傳感器的研究一直為化學(xué)與生物傳感器研究的熱點(diǎn)。其中葡萄糖電化學(xué)傳感器是最早研制的生物傳感器。按有無使用酶用于構(gòu)建生物傳感器可將葡萄糖電化學(xué)傳感器分為基于酶的葡萄糖電化學(xué)傳感器和無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器。最常見的葡萄糖電化學(xué)傳感器是基于葡萄糖氧化酶催化結(jié)合Clark氧電極構(gòu)建的葡萄糖分析方法,該法利用了酶具有專一性高、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。然而,基于酶的葡萄糖電化學(xué)傳感器存在許多不足而在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的條件限制。因此,無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研制成為葡萄糖電化學(xué)傳感器的另一個研究熱點(diǎn)。Park等人2006年在AnalyticaChimicaActa上評述了無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展,具體討論了無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)及其研制難點(diǎn),闡述了葡萄糖在鉑電極、金電極、銅電極、鎳電極等電極材料上的電催化氧化機(jī)理,并根據(jù)電化學(xué)檢測方法的不同將無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器作了簡單的分類,主要分為三類,分別是:電位式、伏安法和電流型葡萄糖電化學(xué)傳感器。電位式無酶葡萄糖傳感器的響應(yīng)模式是通過葡萄糖與敏感物質(zhì)的反應(yīng)使得電位發(fā)生變化從而實(shí)現(xiàn)對葡萄糖的測定。該類型傳感器適合于檢測濃度大于10-5M的葡萄糖溶液。電位測定可與多通道陣列傳感器相互兼容并且僅需簡單的操作電路,因此當(dāng)電位型的無酶葡萄糖傳感器與傳統(tǒng)的離子選擇性電極例如pH電極結(jié)為一體時將散發(fā)強(qiáng)大的魅力。Shoji和Freund使用帶有硼酸的聚合物膜作為電極修飾材料用于電位式葡萄糖傳感器的研制。當(dāng)存在有機(jī)二醇分子時,電位隨著硼酸分子與二醇分子之間的結(jié)合常數(shù)的不同而發(fā)生變化,是一類很有發(fā)展前景的無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器。然而該方法對葡萄糖分子的選擇性較差,對果糖的響應(yīng)靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對葡萄糖的響應(yīng)靈敏度。伏安型無酶葡萄糖傳感器則采用伏安法檢測溶液中的葡萄糖。Choi等人在金電極表面上組裝帶有巰基的α-環(huán)糊精單層膜,由于二茂鐵被捕獲在α-環(huán)糊精的籠狀結(jié)構(gòu)中因而該修飾電極能夠在電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生安培電流。當(dāng)該電極放入含有葡萄糖的溶液中后,葡萄糖取代二茂鐵而使電流隨著葡萄糖濃度的增加成比例的下降,進(jìn)而間接地檢測葡萄糖。Arimori等人則在葡萄糖的傳感材料中引入了帶有兩個硼酸分子以選擇性的識別D-葡萄糖的識別分子。當(dāng)該識別分子與熒光團(tuán)連接時,所構(gòu)建的傳感材料對糖類分子的識別將通過熒光團(tuán)產(chǎn)生光學(xué)信號,可用于制備葡萄糖的光學(xué)傳感器;而若該識別分子與二茂鐵連接時,二茂鐵作為伏安電流的信號輸出單元而使該傳感材料能夠用于制備葡萄糖的電化學(xué)傳感器。電流型無酶葡萄糖傳感器是無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器中研究最多的一類,該類傳感器通常采用計(jì)時電流法對溶液中的葡萄糖的進(jìn)行分析測定。該類型傳感器最早使用的電極材料有稀有金屬(如鉑、金)、過渡金屬(如銅、鎳)及合金。發(fā)展至今,多種金屬、合金材料及其納米材料都被用于該類型傳感器的研制,是研究最多的一類無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器。因此,本文重點(diǎn)評述電流型無酶葡萄糖傳感器所使用的各種類型的電極材料,總結(jié)最近五年各種新型結(jié)構(gòu)材料在無酶葡萄糖傳感器研制方面的應(yīng)用,并對其發(fā)展方向和趨勢進(jìn)行展望。1基于傳統(tǒng)材料的無酶葡萄糖電壓試劑1.1金電極修飾法鉑和金是無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器中最早使用的電極材料。特別是鉑電極在酸性、中性和堿性溶液中對葡萄糖的電催化氧化機(jī)理已作了詳細(xì)的研究。但是鉑電極和金電極在電催化氧化葡萄糖方面仍然存在許多不足。首先,在電催化氧化過程中,鉑電極和金電極的表面容易吸附中間產(chǎn)物而使電極中毒,需要用其它電化學(xué)方法將吸附在其表面的物質(zhì)除去以獲得新鮮的表面才能繼續(xù)用于分析檢測,且檢測靈敏度較低,該類電極不能用恒電位計(jì)時電流法對葡萄糖進(jìn)行檢測;其次,鉑電極和金電極對葡萄糖的檢測缺乏選擇性,很多碳水化合物都可以在相同的電位下在鉑電極及金電極上與葡萄糖一起被催化氧化;另外,該類電極都容易受到氯離子的毒化而喪失對葡萄糖的電催化氧化活性。以上缺點(diǎn)限制了鉑電極和金電極的實(shí)際應(yīng)用。為了克服鉑電極和金電極在電催化氧化葡萄糖時的缺陷,引入了脈沖安培檢測法以提高鉑電極和金電極對葡萄糖的響應(yīng)性能。然而,在使用該方法時,由于不斷地給電極施加脈沖電流以除去電極表面吸附的物質(zhì)而得到新鮮的電極表面,使得電極表面金屬不斷溶解而損壞電極。因此,人們通過對鉑電極和金電極表面進(jìn)行修飾以期能夠提高鉑電極和金電極對葡萄糖的響應(yīng)性能。例如,Bi、Pb和Ti在鉑電極表面上的沉積,可以使陽極電流提高一個數(shù)量級,并且能夠抑制氫原子在鉑電極上吸附形成內(nèi)酯而導(dǎo)致的電極中毒現(xiàn)象。Wittstock等人在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了Bi修飾的鉑電極在堿性溶液中對葡萄糖的電催化行為,為在鉑修飾電極上用恒電位計(jì)時電流法檢測碳水化合物提供理論基礎(chǔ)。Aoun等人對比研究了表面修飾有Cu、Ag、Ru、Pt、Pd和Cd等金屬的金電極在0.1M氫氧化鈉溶液中對葡萄糖的電催化氧化性能,結(jié)果表明吸附有Ag原子單層且其表面覆蓋度為30%時的金電極對葡萄糖具有較高的催化活性且催化氧化電位最低,這可能是由于Ag原子的吸附促使金電極表面形成了AuOH的活性位點(diǎn),因此降低了葡萄糖的氧化電位。Matsumoto等人在金電極表面上修飾一層汞金屬后提高了電極對葡萄糖的氧化峰電流,這是由于在汞修飾的金電極上增加了OH-在電極表面上的吸附而使該電極的響應(yīng)電流有很大的增強(qiáng)。Bindra和Wilson則在金電極的表面上修飾Nafion和膠原質(zhì)以提高金電極在用脈沖安培法檢測葡萄糖時對葡萄糖的選擇性。1.2修飾電極制備的電化學(xué)檢測過渡金屬銅和鎳也被用于葡萄糖電化學(xué)傳感器電極的研制。與鉑電極和金電極相比,用銅和鎳制備的電極其優(yōu)點(diǎn)在于可以直接用恒電位計(jì)時電流法對溶液中的葡萄糖進(jìn)行檢測,且電極材料的價格低廉。銅電極和鎳電極對葡萄糖的電催化氧化需要堿性的介質(zhì),在使用前通常需要將電極進(jìn)行預(yù)氧化,通常認(rèn)為葡萄糖在鎳電極上的電催化氧化是Ni(OH)2/NiOOH參與的過程;而銅電極在堿性溶液中對葡萄糖的電催化氧化機(jī)理雖然尚有爭論,但通常認(rèn)為是Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅲ)參與的過程。在該類電極上,隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,電極表面也將逐漸被腐蝕而鈍化,并且銅電極和鎳電極同樣對葡萄糖等碳水化合物的電催化氧化沒有選擇性。因此,人們應(yīng)用各種技術(shù)制備了各種基于銅和鎳的修飾電極,以改善該類電極對葡萄糖的響應(yīng)性能,并不斷探索該類電極的實(shí)際應(yīng)用價值。D’Eramo等人用電化學(xué)方法在玻碳電極表面上形成聚-1-柰胺后再在該聚合物上進(jìn)一步沉積銅微粒,得到的修飾電極可作高效液相色譜檢測器,檢測葡萄糖及各種碳水化合物。Zhang等人將具有多孔結(jié)構(gòu)的氧化亞銅微立方體修飾到玻碳電極表面后用于溶液中葡萄糖的電化學(xué)檢測也得到了滿意的結(jié)果。Casella等人用電化學(xué)方法將銅沉積到金電極表面上形成銅微粒均勻分散的金修飾電極,該電極用于葡萄糖檢測時顯示出很好的穩(wěn)定性和選擇性。Berchmans等人用Ni(OH)2/NiOOH修飾玻碳電極并考察該電極對葡萄糖、抗壞血酸、乳酸和過氧化氫等物質(zhì)的響應(yīng)性能,指出了該電極在高效液相色譜檢測器方面的應(yīng)用價值。Salimi等人制備了含有鎳粉與Nafion的石墨碳陶瓷電極,該電極在低電位(0.45Vvs.Ag/AgCl)下對葡萄糖具有很好的響應(yīng)性能,并且由于電極上Nafton的修飾可在一定程度上減小血糖檢測中干擾物質(zhì)的影響。1.3修飾電極對葡萄糖的催化氧化特性合金作為無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的電極材料由于其綜合了構(gòu)成合金的各金屬的優(yōu)點(diǎn),而使其對葡萄糖的檢測靈敏度和選擇性有了很大的提高。Sun等人用組合的方法研究了基于Pt、Pb、Au、Pd及Rh五種元素的合金對葡萄糖的電催化氧化性能,得出對葡萄糖電催化氧化性能最好的電極是Pt和Pb的合金電極(Pt2Pb),該電極對葡萄糖的電催化氧化電位比鉑電極更低,并且該電極對抗壞血酸、尿酸和乙酰氨基苯酚等的催化氧化電位高于對葡萄糖的催化氧化電位,因此該電極對葡萄糖的檢測具有很好的選擇性。Wang等人用水熱法在鈦金屬基底上一步合成三維的PtPb網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),由該材料制備的修飾電極對葡萄糖的響應(yīng)靈敏度高,且由于對葡萄糖的催化氧化電位較低,因此有效降低了干擾物質(zhì)如抗壞血酸、尿酸等物質(zhì)的干擾。Yeo和Mho等人對比研究了銅分別與Ni、Fe和Mn形成的合金電極對葡萄糖的電催化氧化性能,結(jié)果表明可能是由于葡萄糖分子在Mn位點(diǎn)的預(yù)吸附而使得Mn5Cu95合金電極在0.1M氫氧化鈉溶液中對葡萄糖的催化氧化電流相對于銅電極有較大的提高。Pham等人用離子注入方法在鎳表面制備與銅、鈦以及銅和鈦的各種合金,對比研究了該系列合金電極與鎳電極在堿性溶液中對葡萄糖的電催化氧化行為,結(jié)果表明合金電極對葡萄糖具有更高的電催化活性。Yeo等人研究銅鎳合金(NixCu100-x(x=10、25、50、75))對葡萄糖和其它有機(jī)小分子的電催化氧化性能,結(jié)果表明與銅電極和鎳電極相比,Ni10Cu90電極在堿性溶液中對葡萄糖和氨基乙酸的響應(yīng)性能有很顯著的提高,這是由于在陽極氧化過程中銅和鎳具有良好的協(xié)同催化作用。1.4葡萄糖傳感器電極Manesh等人用電紡絲的方法在ITO玻璃上沉積聚亞乙烯基氰和聚氨基苯基硼酸納米纖維復(fù)合膜作為葡萄糖傳感器的工作電極,該電極對葡萄糖具有很好的響應(yīng)性能。此外,還可以在電極表面上修飾各種酞菁染料以提高電極在堿性溶液中對葡萄糖的電催化氧化性能。2無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研制隨著材料制備技術(shù)的發(fā)展,各種鉑及金的納米多孔結(jié)構(gòu)、鉑納米管陣列、金及鉑納米顆粒、碳納米管、銅及鎳納米顆粒等都被用于無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器修飾電極的研制,為無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研制注入了新的活力。2.1多壁碳納米管修飾碳納米管具有較高的導(dǎo)電性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和顯著的機(jī)械強(qiáng)度而備受各領(lǐng)域研究者的青睞。研究表明碳納米管可以提高電極與一些重要生物分子之間的電子傳遞速率,這一結(jié)果也迅速用于無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研究。由于碳納米管可以加速各種糖類分子在電極上的電催化氧化,因此碳納米管修飾電極能夠高靈敏、穩(wěn)定和快速的檢測這些糖類分子。但是,又有相關(guān)研究表明碳納米管對葡萄糖的電催化活性并不是來自于碳納米管本身,而是來自于在制備碳納米管過程中殘留的金屬雜質(zhì)。例如,Batchelor-McAuley等人的研究結(jié)果也證實(shí)了多壁碳納米管對葡萄糖的電催化氧化作用是來自于碳納米管中的殘留雜質(zhì)即氧化銅納米顆粒。Nafion由于具有獨(dú)特的離子交換功能、分子識別功能和生物兼容性而被廣泛用于電極的表面修飾。在Wang等人發(fā)現(xiàn)碳納米管可以溶解在Nafion中后,一方面由于碳納米管可提高電極的電催化活性,另一方面電極上Nafion的修飾可提高電極在葡萄糖檢測中的選擇性,因此各種修飾有碳納米管和Nafion的修飾電極得到了發(fā)展。Rong和Li等人將鉑納米顆粒沉積到碳納米管后修飾到玻碳電極表面上,并在修飾電極的表面上進(jìn)一步修飾Nafion膜以提高電極的選擇性,得到的電極對葡萄糖具有很好的靈敏度、選擇性和長期的穩(wěn)定性。Cui等人在多壁碳納米管上沉積兩層Pt-Pb的納米顆粒(中間用Nafion隔開)后,得到的PtPb/Nafion/PtPb/MWCNT電極能在中性磷酸緩沖溶液中靈敏并選擇性的檢測葡萄糖。Kang和Make等人將碳納米管和銅納米顆粒溶于Nafion后修飾到玻碳電極表面上,所制得的修飾電極可在堿性溶液中實(shí)現(xiàn)對葡萄糖的電化學(xué)檢測。Li等人將PtRu納米顆粒和多壁碳納米管共修飾電極用于葡萄糖的電化學(xué)檢測也得到了良好的結(jié)果。2.2金納米顆粒修飾的金電極制備及電化學(xué)傳感器的使用由于在鉑電極和金電極上,抗壞血酸、尿酸和醋氨酚等葡萄糖測定時的干擾物質(zhì)的電催化氧化是受擴(kuò)散控制過程,僅受電極表觀幾何面積的影響(如圖1A所示);而葡萄糖的電催化氧化是動力學(xué)控制過程,該過程對電極的實(shí)際面積非常靈敏,高的表面粗糙度(電極的實(shí)際面積和幾何面積之比)有利于提高受動力學(xué)控制的電化學(xué)過程的法拉弟電流(如圖1B所示)。因此,人們根據(jù)在鉑電極和金電極上葡萄糖與抗壞血酸等干擾物質(zhì)的電催化氧化機(jī)理的不同,通過各種手段提高鉑電極和金電極的表面粗糙度以提高鉑電極和金電極對葡萄糖的響應(yīng)靈敏度和選擇性(如圖1所示)。在此基礎(chǔ)上,Park等人制備了中孔以及納米多孔的鉑電極用于葡萄糖的檢測得到了很好的結(jié)果。Song等人在金電極表面上緊密堆積二氧化硅形成蛋白石的結(jié)構(gòu)后,再在該結(jié)構(gòu)上電沉積鉑金屬后除去二氧化硅,即可在金電極表面上得到三維有序的大孔鉑膜,修飾了該膜的金電極對葡萄糖的響應(yīng)具有很好的選擇性和靈敏度。Chou等人在氯化鋅-1-乙基-3-甲基咪唑鎓離子液體中用電化學(xué)方法沉積和溶解鉑鋅合金得到具有納米多孔結(jié)構(gòu)的鉑電極,該電極對葡萄糖的檢測同樣具有很好的選擇性及抗干擾能力。Yuan等人用鋁模板方法制備鉑納米管陣列修飾的電極用于葡萄糖的檢測也得到了滿意的結(jié)果。Li等人用具有開放性結(jié)構(gòu)的大孔銅膜為模板通過流電置換反應(yīng)和電化學(xué)脫合金腐蝕技術(shù)制備了多孔的金膜,由該多孔金膜制備的電極對葡萄糖有很好的選擇性響應(yīng),能在很大程度上抑制抗壞血酸、尿酸和醋氨酚等血糖檢測中干擾物質(zhì)的影響。Cho等人制備的多孔金電極同樣是由于提高了電極表面的實(shí)際面積而能夠高靈敏的檢測葡萄糖且不受抗壞血酸的干擾。Shin等人用電化學(xué)沉積方法以具有納米多孔結(jié)構(gòu)的陽極氧化鋁為模版在金電極表面上合成了金的納米柱陣列,由于該電極上金的納米柱狀陣列結(jié)構(gòu)使其對葡萄糖具有較大的電催化活性表面,因而增強(qiáng)了該電極對葡萄糖的電催化氧化性能。Zhou等人以多孔氧化鋁為模板制備了金納米管陣列修飾的電極,該電極用于溶液中葡萄糖檢測時,由于電極上的納米管陣列結(jié)構(gòu)有效地提高了電極的比表面,因此該電極對葡萄糖具有較高的響應(yīng)靈敏度。此外,鉑和金的納米顆粒也被用于無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研制。Jena等人用3-巰基丙基-三甲氧基硅烷制備了帶有巰基的二氧化硅,由于巰基的存在而使金納米顆粒被均勻的分散在二氧化硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,用該方法制備的金納米顆粒修飾電極對葡萄糖的檢測具有很好的靈敏度、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性,并且由于葡萄糖與抗壞血酸的氧化電位不同,因而能很好的避免抗壞血酸等物質(zhì)的干擾。Kurniawan等人對比了金納米顆粒修飾的金電極與沒有修飾的金電極在堿性溶液中對葡萄糖的響應(yīng)情況,得出在相同條件下金納米顆粒修飾的電極對葡萄糖的催化氧化電流高于沒有修飾的金電極。Scavetta等人用電沉積方法在玻碳電極表面上合成了鉑納米顆粒后,進(jìn)一步在鉑納米顆粒表面上沉積硝酸鎳鋁,并討論了該修飾電極對乙醇和葡萄糖的響應(yīng)情況,結(jié)果表明該電極對乙醇和葡萄糖的電催化氧化性能與修飾有硝酸鎳鋁的鉑電極類似但檢測線性范圍較寬。2.3修飾修飾電極的制備根據(jù)銅、鎳及其化合物修飾的電極在葡萄糖電化學(xué)檢測中的優(yōu)缺點(diǎn),修飾有銅納米顆粒和鎳納米顆粒的修飾電極也被用于無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研制,以期能夠進(jìn)一步改進(jìn)該類電極在葡萄糖檢測中存在的選擇性和穩(wěn)定性問題。Liu等人將聚乙烯吡咯烷酮包裹的銅納米顆粒修飾到金電極表面上,在葡萄糖檢測過程中,由于在電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的銅離子與聚乙烯吡咯烷酮的酰氨基結(jié)合形成絡(luò)合物而避免電極表面的腐蝕和溶解,因而增加了電極的穩(wěn)定性。Xu等人用微波合成法合成了丁二酮肟功能