酶電極傳感器與無酶電極傳感器的定義及區(qū)別

生物傳感器技術(shù)具有較高專一性和靈敏度，被廣泛運(yùn)用于復(fù)雜體系的在線分析和檢測，在臨床診斷、分析化學(xué)、食品檢測、醫(yī)藥分析、化工等領(lǐng)域都具有良好發(fā)展前景。

生物傳感器技術(shù)是分析生物科學(xué)的一個分支，滲透于分析化學(xué)、生物學(xué)、生命科學(xué)、物理學(xué)等多個學(xué)科。而對于生物傳感器來說主要分為兩個部分，分別為識別系統(tǒng)與信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

特定物質(zhì)經(jīng)過識別系統(tǒng)能與傳感器發(fā)生特異性反應(yīng)，是傳感器具有識別性的關(guān)鍵，突出了對檢測物質(zhì)的專一性。作為識別系統(tǒng)檢測物質(zhì)可以為蛋白質(zhì)、酶、抗原抗體、DNA、核酸、生物膜、細(xì)胞、組織、微生物等材料，按識別材料的種類就可以將生物傳感器分為酶傳感器、免疫傳感器、細(xì)胞傳感器等。另一部分信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是將特定物質(zhì)與識別系統(tǒng)發(fā)生的特異性反應(yīng)轉(zhuǎn)換為我們能夠識別的信息(如光、熱、電信息)放大并輸出，按信號的轉(zhuǎn)換方式又可以將傳感器分為光生物傳感器、電化學(xué)生物傳感器等。

由于電信號具有響應(yīng)速度快、便于轉(zhuǎn)換獲取、數(shù)據(jù)分析簡單直觀等特點(diǎn)，電化學(xué)生物傳感器成為發(fā)展最早，研究內(nèi)容及成果最為豐富，應(yīng)用最為廣泛的傳感器。電化學(xué)生物傳感器主要是以電極作為信息轉(zhuǎn)換材料，將物質(zhì)特異性反應(yīng)過程轉(zhuǎn)換為電信號，利用電信號的大小間接的表示反應(yīng)物的濃度大小。其中，酶電極的發(fā)展在生物傳感器領(lǐng)域最具有代表性。

酶電極傳感器

酶電極是研究最為廣泛的生物傳感器，其中主要是由于酶具有靈敏度高、專一性好、儀器簡單、相應(yīng)速度快等特點(diǎn)。酶電極生物傳感器指的是以生物酶作為識別單元，將生物酶固定于經(jīng)修飾后的電極表面。當(dāng)測試底物中存在與生物酶所對應(yīng)的特定物質(zhì)會將其催化氧化，反應(yīng)過程就會在電極表面產(chǎn)生電子交換，通過檢測電流的變化情況來反應(yīng)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，從而來表示讀物質(zhì)的濃度變化。但是，生物酶通常有一個或幾個金屬離子構(gòu)成的氧化還原活性中心，大部分的活性中心都深埋在蛋白質(zhì)肽鏈中，使得酶活性中心很難實(shí)現(xiàn)與電極表面直接進(jìn)行電子交換。

為解決酶的活性中心與電極之間的電荷轉(zhuǎn)移問題，生物酶電化學(xué)傳感器主要發(fā)展有三個階段。

第一階段的酶電極以氧氣作為電子受體，以葡萄糖氧化酶傳感器為例，反應(yīng)過程如(1)、(2)。GOx (FAD) 氧化態(tài)葡萄糖酶將葡萄糖氧化為葡萄糖內(nèi)酯酸，同時還原態(tài)酶GOx(FADH2) 將溶液中氧氣還原為過氧化氫，通過測定反應(yīng)過程中氧氣或過氧化氫的濃度變化量來間接測定葡萄糖濃度。但這一階段的傳感器極易受環(huán)境中氧氣的影響，抗干擾能力差。

GOx (FAD) + glucose→GOx(FADH2)+ glucolactone (1)

GOx(FADH2) + O2→GOx(FAD) + H2O2 (2)

第二階段的傳感器是在生物酶與電極之間增加用于電子傳遞的介體層，替代氧氣作為電子受休，克服了受干擾性的問題。利用可快速進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的介體材料作為酶活性中心與電極表面電子傳遞的中間體，反應(yīng)過程如 (3)、(4)、(5)。氧化態(tài)酶氧化底物轉(zhuǎn)化為還原態(tài)酶，同時將介體物質(zhì)還原氧化的過程將反應(yīng)電荷傳遞至電極表面，通過電荷量來表示反應(yīng)底物濃度。但介體材料容易擴(kuò)散，這對介體材料的固定提出了更高要求。

GOx (FAD) + glucose→GOx(FADH2) + glucolactone (3)

GOx(FADH2) + 2Medox + 2e-→GOx (FAD) + 2Medred + 2H+ (4)

2Medred→2Medox + 2e- (5)

第三階段的酶電極傳感器不需要氧或介體作為電子受體，而是利用化學(xué)方法把生物酶蛋白肽鏈打開將酶活性中心暴露或?qū)﹄姌O表面進(jìn)行特殊處理，將生物酶固定于電極表面，在催化氧化反應(yīng)物的同時直接與電極發(fā)生電荷交換，反應(yīng)過程如(6)、(7)。然而，受生物酶自身性質(zhì)電子傳輸效率仍然有限。

GOx (FAD) + glucose→GOx(FADH2)+glucolactone (6)

GOx(FADH2 ) + 2e-→GOx(FAD)+ 2H+ (7)

無酶電極傳感器

在酶電極傳感器中，酶的活性是決定傳感器穩(wěn)定性、靈敏性的關(guān)鍵因素，但在酶固定過程容易變性失活，同時酶的活性也容易受周圍環(huán)境如濕度、溫度、以及化學(xué)因素的影響，并且酶在固定過程中可能出現(xiàn)泄漏，一些生物酶的成本較高。從而提出了利用某些具有多個氧化價態(tài)的金屬、金屬氧化物、合金等作為催化材料代替生物酶固定于電極表面來催化氧化待測物的方法。對于物質(zhì)在電極表面催化氧化的理論有兩種氧化機(jī)理被普遍認(rèn)可。

以葡萄糖在電極表明氧化為例。第一種為相鄰位點(diǎn)吸附理論，認(rèn)為吸附在電極表面的葡萄糖被氧化時，葡萄糖分子中半縮醛碳上的C-H鍵斷裂，氫原子和半縮醛碳同時在電極表面形成化學(xué)鍵，如圖1所示。

圖1 相鄰位點(diǎn)吸附示意

第二種為中間體氧化理論，金屬原子在被葡萄糖分子吸附時形成金屬離子膜，金屬離子將吸附的葡萄糖分子氧化為葡萄糖內(nèi)酯酸，離子膜在電極表面還原為金屬原子從而實(shí)現(xiàn)電荷交換，如圖2所示。

圖2 中間體氧化示意

目前，已有很多對于無酶傳感器的研究，葡萄糖無酶傳感器研究最為廣泛。比如有利用貴金屬Pt、Au、Pd作為葡萄糖催化材料制作電極的無酶傳感器，過渡金屬Ni、Cu以及其氧化物經(jīng)修飾處理后制作傳感器電極，多種金屬或氧化為雜化后制作的電極等。雖然，無酶傳感器不受酶活性影響，但也存在一些問題，比如貴金屬 Pt、Au的成本較高，雖然對葡萄糖具有良好的催化活性，但溶液中的Cl-易在電極表面發(fā)生吸附；Pd納米粒子容易發(fā)生聚合；過渡金屬Ni、Cu以及其氧化物雖然具有較高靈敏度，但具有對葡萄糖檢測的線性范圍窄等問題。無酶傳感器極易受化學(xué)環(huán)境影響，對檢測環(huán)境有較高要求，所以一般都在緩沖溶液中進(jìn)行檢測。