葡萄糖生物传感器研究概况
葡萄糖是动物和植物体内碳水化合物的主要组成部分，因此葡萄糖的定量测定在生物化学、临床化学和食品分析中都占有很重要的位置。1954年Clark的氧电极分析方法使活体组织氧分压的无损测量成为可能，由此打开了生物传感器这一研究领域。50多年来各国科研人员对生物传感器的研究和发展使得葡萄糖传感器在食品分析、发酵控制、临床检验等诸多方面得到应用并发挥了重要的作用。本文对葡萄糖生物传感器的分类、原理及发展概况等作一简要概述。 1.概念
生物传感器是用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置，Gronow将其定义为“使用固定化的生物分子结合换能器”[1]。它利用生物化学和电化学反映原理，将生化反应信号转换为电信号，通过对电信号进行放大和转换，进而测量被测物质及其浓度[2]，是一种集现代生物技术与先进的电子技术于一体的高科技产品。生物传感器可用于探索揭示生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律，探讨应用于人类经济活动的基本方法。
葡萄糖传感器是生物传感器领域研究最多、商品化最早的生物传感器[3]，为葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOD）经固化后于氧电极组成成。这一生物传感器可在非常短的响应时间内完成对葡萄糖的测定，其线性范围为0～30mg?dL-1，能稳定使用22d，测定的相对标准偏差小于1.2。 2.分类
关于葡萄糖生物传感器的分类，不同的研究方向，有不同的分类方法，主要有以下三种分类。一是根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件划分为：酶传感器（enzyme sensor），微生物传感器（microbial sensor），细胞传感器（original sensor），组织传感器（tis-suesensor）和免疫传感器（immunolsensor）。
二是根据生物传感器的换能器即信号转换器分类，如：生物电极（bioelectrode）传感器，半导体生物传感器（semi conduct biosensor），光生物传感器（optical biosensor），热生物传感器（calorimetric biosensor），压电晶体生物传感器（piezoelectric biosensor）等。 三是以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲合型生物传感器和代谢型生物传感器[4]。
本文按照葡萄糖生物传感器中分子识别元件进行分类，主要有酶电极葡萄糖生物传感器、燃料电池型葡萄糖生物传感器、光学葡萄糖传感器、微型酶电极生物传感器、微生物传感器、丝网印刷传感器。
2.1酶电极葡萄糖生物传感器
酶具有高选择性，高亲和力，在较温和条件下也能对底物反应起催化作用，因此被选为生物传感器中首选的生物活性物质。酶传感器因为多由固定化酶和电化学装置(电极)组合构建而成，所以又称为酶电极(enzyme electrode)。将GOD固定在能透过葡萄糖和氧的薄膜上，然后固定在氧电极的前端，当溶液中存在着葡萄糖时，葡萄糖在通过固定化酶膜时被GOD氧化。在反应发生过程中需要消耗氧气，而这种消耗量可用氧电极测定到，因此能够以此检查葡萄糖含量。但是大气中氧气分压的变化，会导致溶液中溶解氧浓度产生变化，从而影响测定的准确性[5]，这是酶电极葡萄糖生物传感器在应用时要解决的问题。
自从1962年Clark等[6]第一次提出酶电极这个概念后，经过50多年三个阶段的研究，酶电极葡萄糖生物传感器得到了很大的发展。
2.1.1 第一阶段：经典葡萄糖酶电极的葡萄糖生物传感器
经典葡萄糖氧化酶传感器是采用过氧化氢电极作为基础电极，通过检测H2O2的产生量，进而检测血清中的葡萄糖含量。其优点是，葡萄糖浓度与产生的H2O2有当量关系，不受血液中氧浓度变化的影响[7]。采用过氧化氢作为基础电极的生物传感器是最早的生物传感器。 目前，以过氧化氢为基础电极的测定仪已经有各种型号的商品面世并在许多国家不同行业被普遍应用。我国的生物传感器研究起步较晚，第一台葡萄糖生物传感器于1986年研制成功，商品化产品主要是SBA葡萄糖生物传感器。该传感器选用固定化葡萄糖氧化酶与过氧化氢电极构成酶电极葡萄糖生物传感分析仪，每次进样量25μL，进样后20s可测出样品中葡萄糖含量，在10～1000mol?L-1范围内具良好的线性关系，连续测定20次的变异系数小于2%[8]。 2.1.2 第二阶段：介体葡萄糖酶电极的葡萄糖生物传感器
在经典葡萄糖酶电极的基础之上改良而成的，引入化学介体代替过氧化氢作为基础电极，利用具有较低氧化电位的传递介体在电极上产生的氧化电流，在测定葡萄糖时，可以避免其他电活性物质的干扰，提高了测定的灵敏度和准确性。
研究者们采用不同的化学介体，改良传感器，提高传感器的响应速度，缩短电流达到稳态值的时间。常用的电子媒介体包括二茂铁及其衍生物、有机染料、醌及其衍生物、四硫富瓦烯(TTF)、四氰基奎诺二甲烷(TCNQ)、富勒烯和导电有机盐等[9]。但这些有机低分子媒介体化合物容易从酶层中扩散出来进入底物溶液中，影响传感器的稳定性，了生物传感器的使用范围。若使用高分子媒介体化合物，如变价过渡金属离子型和有机氧化还原型等氧化还原聚合物，便可解决这一问题。Paul等[10]将二茂铁及1，1’2二甲基二茂铁通过化学键连接到不溶性的硅氧烷聚合物的主链上，以此作为葡萄糖酶传感器的电子媒介体。这种高分子媒介体能够有效地降低传感器的工作电位，并且能够消除来自其他电活性物质的干扰。制成的传感器的突出优点是响应速度快，电流达到稳态值的时间不足10s。朱邦尚等[11]选用B2环糊精与戊二醛缩合成的B2环糊精聚合物(B2CDP)为主体，电媒介体、1’2 2二甲基二茂铁为客体，形成稳定的主客体包络物。用牛血清白蛋白Π戊二醛交联法，把葡萄糖氧化酶和主客体包络物固定到电极上，以提高传感器的稳定性和使用寿命。采用铂丝电极经铂化处理制备的杂聚吡咯ΠGO膜，葡萄糖酶电极稳定性良好，间断测定3个月，灵敏度仍达原来的70%左右[12]。 2.1.3第三阶段：直接葡萄糖酶电极的葡萄糖生物传感器
直接葡萄糖酶电极的葡萄糖生物传感器是指不采用媒介体，利用酶与电极间的直接电子传递设计制作葡萄糖传感器。将酶共价键合到化学修饰电极上，或将酶固定到多孔电聚合物修饰电极上，使酶氧化还原活性中心与电极接近，直接电子传递就能够相对容易地进行，从而使电极的响应速度更快、灵敏度更高，真正实现酶的专一和高效催化。
通常采用的固定化酶材料有有机导电聚合物膜、有机导电复合材料膜、金属纳米颗粒或金属和非金属纳米颗粒等[13]。
1992年，Koppel等[14]将聚吡咯(PPy)微管用于固定化GOD。进一步改进后，采用均匀的乳胶微粒作为聚吡咯和酶固定时所依附的多孔基体材料，使得葡萄糖生物传感器对葡萄糖测定的线性响应范围扩大为1～60mol?L-1。张国林等[15]采用乙基纤维素和乙炔黑导电复合材料制备固定化葡萄糖酶电极，有利于酶催化反应。刘红敏等[16]将二氧化还原聚合物与过氧化酶共价交联修饰薄膜金电极，使用戊二醛交联固定葡萄糖氧化酶制得葡萄糖传感器。该传感器实现了低浓度葡萄糖的测定，为发展高灵敏度、低检测限、高稳定性的无创血糖检测传感器奠定了基础。
从过氧化氢作为基础电极到直接将酶共价到化学电极上，葡萄糖酶生物传感器技术正一步步发展完善。但由于酶的制备纯化相对困难，而且固定化技术对酶活性影响很大，测定受温度影响易出现波动，寿命短，测定范围窄，因此酶传感器的研究和应用受到极大。
2.2燃料电池型葡萄糖生物传感器
生物燃料电池是根据生物催化剂直接把化学能转化为电能的特性来设计的一种生物传感器。将二白金网电极夹在三枚硅胶膜中，水、氧可透过硅胶膜，而葡萄糖等溶质不能通过，葡萄糖在阴极受白金触媒作用而氧化，氧在阳极被还原生成OH-，因而两极间发生电位差，可间接测得葡萄糖浓度。该传感器的优点是寿命长，线性范围宽。缺点是特异性差，易受活体内物质的干扰，重复性差，葡萄糖氧化后葡萄糖醛酸附着在阳极上妨碍反应。 根据采用催化剂的不同，可分为微型酶生物燃料电池和微生物燃料电池。
微型酶生物燃料电池是以微机械、微加工技术为基础的新型酶生物传感器，相比与传统的酶生物传感器，更小，检测范围更广，并且能够植入人体。如采用与IC兼容的硅作为基底材料，利用MEMS加工工艺，采用硅腐蚀及SU8微反应池方法制成了新型微电极传感器。与传统的电流型传感器相比，该传感器有较小的敏感面积(1mm×1mm)，较低的检测下限(1×10-4M)，较宽的检测范围(1×10-4～1×10-2M)，较好的重现性与稳定性，以及易于与处理电路集成等优点[18]。
微生物燃料电池则是利用微生物细胞代谢过程中产生大量酶的特点，选择能够大量生成葡萄糖氧化酶的微生物细胞，将其固定在某种载体上而制成的细胞传感器。它不仅具有酶传感器的所有优点，同时也克服了酶传感器的缺点，使用寿命长、性质稳定、成本低、易于保存等。采用荧光反应作为检测方法时，葡萄糖的浓度在1.0×10-4～3.6×10- 7mol?L-1的浓度范围内与荧光强度成线性关系[19]。 2.3光学葡萄糖传感器
20世纪80年代开始出现以光学信号为检测指标的生物传感器，形成了光纤生物传感器(fiber optical biosensors)。通过光纤维传感器前端对葡萄糖氧化时pH变化所致的指示剂变色度用分光分析法测定可得葡萄糖浓度。如在鲁米诺(Lumino)发光系统中，葡萄糖氧化酶固定在碳糊电极上，制成光导纤维电化学发光葡萄糖生物传感器：传感器的信号响应在10S内达到发光强度峰值。葡萄糖浓度在1.0×10-5～2.0×10-2mol?L-1范围内与发光强度呈线性关系，检出限为6.4×10- 6mol?L-1，可应用于市售饮料中葡萄糖的测定[20]。
光学葡萄糖传感器具有灵敏度高，噪声低等优点，但也存在一些弊病：容易受到背景光的干扰；需要严格控制外来光线进入测量池；与其它传感器比较响应线性范围窄；测试复杂；固定化酶长期受辐射，稳定性不高。 2.4 丝网印刷传感器
丝网印刷传感器是酶电极方法与丝网印刷技术相结合产生的一种全新概念的生物传感器。上世纪80年代以来，基于丝网印刷电极的生物传感器的研究方面已经有大量报道。其显著特点是能够大批量生产重现性好的生物传感器，而且成本很低，可以一次性使用。最早的丝网印刷传感器主要集中在血糖的测定方面。最典型的例子是手掌型葡萄糖传感器以及动态血糖连续监控系统[21]。 3.发展现状
从1962年第一个生物传感器的诞生开始，葡萄糖传感器在整个生物传感器发展过程中的各个阶段都占有重要的地位。在商品化方面，葡萄糖生物传感器的应用是其它任何生物传感器所不能比拟的，现在全世界每年用于血糖测试的酶电极产量已达到数十亿支。在发酵工业中，葡萄糖传感器也已广泛应用于原料分析和远程控制等。在研究领域，与其他生物传感器相比，葡萄糖传感器发表论文的比例一直占据首位。近年来，纳米生物传感器及DNA生物传感器的研究报道迅速增加，但葡萄糖生物传感器在整个传感器研究报道的比例没有大的变化。这是因为许多新型生物传感器的研究同葡萄糖传感器有关。
4.发展趋势
随着纳米技术、微细加工等技术的应用，超分子化学的概念及分子识别、分子设计的技术已渗透到传感器的设计中，使葡萄糖生物传感器的制备及其应用更加广泛、多元。 4.1功能多元化
尽管现今葡萄糖生物传感器被广泛应用，但在未来应用范围将会进一步扩大，并具备更加多样化的功能。目前，生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器，即仿生传感器，也称为以生物系统为模型的生物传感器。 4.2微型化
随着微加工技术和纳米技术的进步，葡萄糖生物传感器将不断的微型化。各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。现今应用的微型化葡萄糖生物传感器多为针形，直接植入人体。相信未来会研制出更多种类、更小的传感器，以满足各种需求。 4.3智能化集成化
现今的生物传感器功能较为单一，也较为机械化。随着科技技术的发展，各个学科领域的紧密联系，未来的生物传感器必定能够与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙，形成检测的自动化系统。同时，芯片技术将愈加进入传感器，实现检测系统的集成化、一体化。 4.4高效化
生物传感器技术的不断进步，必然能够达到低成本、高灵敏度、高稳定性、高寿命，以克服现今生物传感器存在的问题，最大地发挥传感器的功能。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化，商品化的进程。 5.结语
随着技术的不断进步，生物传感器制造技术的不断完善，生物传感器将给人们的生活带来巨大的变化，它具有广阔的应用前景，必将在市场上大放异彩。 参考文献
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