無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)傳感器研究進(jìn)展

尚帥，路迎，崔欣陽(yáng)，顧婷婷

（遼寧科技大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

自21世紀(jì)以來(lái)，糖尿病的發(fā)病率顯著提升，已被定為必須解決的非傳染性疾病[1-2]。糖尿病的發(fā)病原因歸結(jié)于人體血液中的血糖含量高于正常水平導(dǎo)致高血糖，進(jìn)而導(dǎo)致視網(wǎng)膜病變、皮膚感染及酮癥酸中毒等多種并發(fā)癥[3]。因此，日常的血糖監(jiān)測(cè)對(duì)于糖尿病患者的診斷和治療就顯得尤為重要[4]。近年來(lái)，葡萄糖電化學(xué)傳感器檢測(cè)方法具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)成本低、響應(yīng)時(shí)間短及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[5]，且其對(duì)血糖的非侵入性檢測(cè)完美的解決了手指棒檢測(cè)血糖的局限性[6]。

20世紀(jì)60年代，克拉克和里昂第一次制備了葡萄糖氧化酶電極[7]。電化學(xué)葡萄糖生物傳感器根據(jù)檢測(cè)機(jī)理不同，分為酶基與無(wú)酶葡萄糖生物傳感器[8]。傳統(tǒng)的酶基葡萄糖生物傳感器利用葡萄糖氧化酶(GOx)或葡萄糖脫氫酶(GDH)對(duì)葡萄糖進(jìn)行特異性催化分解，因此具有較高的選擇性[9]。然而，酶的固有缺陷，如環(huán)境不穩(wěn)定性(pH 值、溫度與濕度)和成本昂貴等缺點(diǎn)會(huì)對(duì)傳感器的使用壽命及檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性造成嚴(yán)重影響[10]。

無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)傳感器作為新一代葡萄糖傳感技術(shù)，相對(duì)于酶基葡萄糖電化學(xué)傳感器具有更高的穩(wěn)定性和更低的成本，并克服了酶的固有缺陷[11]。無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)傳感器是利用金屬納米材料催化劑在堿性介質(zhì)中，直接在電極表面催化葡萄糖[12]。研究發(fā)現(xiàn)金屬納米粒子材料，如過(guò)渡金屬納米粒子(Ni、Co、Cu)[13]與貴金屬納米粒子(Au、Ag、Pt)[14]等材料不僅增加了電極催化的比表面積和質(zhì)量傳輸，更賦予無(wú)酶葡萄糖傳感器良好的電化學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)葡萄糖無(wú)酶電化學(xué)檢測(cè)[15]，因此，金屬納米粒子在無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研究中得到了更為廣泛的應(yīng)用。

1 基于貴金屬納米材料的無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)傳感器研究進(jìn)展

貴金屬納米材料，如Pt、Au、Ag 等納米催化劑，由于其具有良好的生物相容性、優(yōu)異的電催化性能、優(yōu)越的靈敏度以及較低的毒性等優(yōu)點(diǎn)[16]，被廣泛應(yīng)用于無(wú)酶葡萄糖傳感器領(lǐng)域。

1.1 Pt 基貴金屬納米材料

金屬Pt 基催化劑具有良好的導(dǎo)電性、高的化學(xué)穩(wěn)定性、大的比表面積和較高的機(jī)械強(qiáng)度，且在中性介質(zhì)中對(duì)葡萄糖具有高電氧化活性，但其反應(yīng)某些中間體的表面中毒可導(dǎo)致傳感器活性的性能下降[17]。因此，為了充分發(fā)揮金屬Pt 的高電氧化活性，通過(guò)將金屬Pt 和其他帶有高電氧化活性的過(guò)渡金屬進(jìn)行結(jié)合，開(kāi)發(fā)一些雙金屬合金電極催化材料[18]，雙金屬合金復(fù)合電極材料通過(guò)增加電極表面積多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)電極導(dǎo)電性、穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度等特性[19]。如Ayranci 等[20]采用一種新的超聲氫氧化物輔助還原方法在還原氧化石墨烯(rGO)上添加單分散鉑(Pt)/鎳(Ni)納米復(fù)合材料，構(gòu)建單分散Pt/Ni@rGO 納米復(fù)合材料修飾電極。此研究表明，Pt/Ni 材料的同時(shí)添加顯著改善了該納米復(fù)合材料的電催化活性，使用I-T 法對(duì)Pt@rGO、Ni@rGO、Pt/Ni@rGO 三種不同組分的電極進(jìn)行I-T 檢測(cè)，如圖1，Pt/Ni@rGO 電極由于雙金屬間的協(xié)同作用，其I-T曲線相對(duì)于其他不同組分電極的I-T 曲線具有更為顯著的電化學(xué)響應(yīng)，證明金屬Ni 材料的添加在一定程度上改善了金屬Pt 所具有的缺點(diǎn)。

1.2 Au 基貴金屬納米材料

金屬Au 與其他金屬相比，因其具有良好的導(dǎo)電性、電催化活性、生物相容性及提供大量的活性位點(diǎn)[21]，已經(jīng)成功的應(yīng)用于葡萄糖電化學(xué)傳感器的構(gòu)建。如Chiu 等[22]通過(guò)使用熱還原法和電沉積技術(shù)，制備金納米粒子(Au NPs)二氧化鈦改性聚苯胺(PANI)復(fù)合材料，構(gòu)建Au NPs-TiO2/PANI 修飾電極。其中，TiO2具有穩(wěn)定性良好和造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于電催化劑領(lǐng)域[23]。此外，在0.1 M NaOH緩沖溶液中加入1 mM 葡萄糖和0.1 mM 干擾物(UA、多巴胺、AA、氯化鈉等)，實(shí)驗(yàn)I-T 曲線結(jié)果表明修飾電極對(duì)葡萄糖有較為明顯的響應(yīng)(如圖2所示)，而對(duì)其他干擾物的電化學(xué)響應(yīng)可以忽略不計(jì)，該電極材料具有較好的抗干擾性。

1.3 Ag 基貴金屬納米材料

金屬Ag 納米粒子屬于一種典型的貴金屬納米材料，具有獨(dú)特的生物相容性、優(yōu)異的催化活性、低毒性和抗菌性能[24]，受到了研究者的廣泛關(guān)注。

Baghayeri 等[25]通過(guò)二甲雙胍功能化多壁碳納米管(MW CNT)的輔助，并在電極表面電沉積銀納米粒子，構(gòu)建Ag@MH/MW CNT 納米復(fù)合材料修飾電極，并采用循環(huán)伏安法(CV)檢測(cè)不同濃度的葡萄糖，如圖3所示，隨著葡萄糖濃度的增大，其CV 曲線氧化峰電流逐漸增大，還原峰電流逐漸減小。據(jù)文獻(xiàn)研究[26]，整個(gè)體系中的Ni3+與Ni2+處于一個(gè)短暫的動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)加入葡萄糖后，將會(huì)消耗Ni3+氧化葡萄糖，從而導(dǎo)致還原峰電流的輕微下降。另一方面，葡萄糖的氧化可能導(dǎo)致電極鎳基材料吸附葡萄糖氧化中間體，進(jìn)而減緩相應(yīng)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，從而導(dǎo)致陽(yáng)極峰減小。

基于貴金屬納米材料的無(wú)酶葡萄糖傳感器表現(xiàn)出良好的靈敏度和較低的檢測(cè)限，同時(shí)這種傳感器由于多種干擾物的存在而導(dǎo)致穩(wěn)定性差、選擇性低和低靈敏度等缺點(diǎn)[27]。此外，貴金屬納米材料的高成本進(jìn)一步限制了其應(yīng)用[28]。相對(duì)于貴金屬納米粒子來(lái)說(shuō)，大量的過(guò)渡金屬納米材料由于具有比表面積大、成本低廉及電催化性能更為優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn)，將可能成為貴金屬納米粒子電催化葡萄糖的一種可行替代物。

2 基于過(guò)渡金屬納米材料的無(wú)酶葡萄糖傳感器研究進(jìn)展

過(guò)渡金屬材料因其地球儲(chǔ)備量富余、易于加工制備、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工程、通信、催化等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[29]。應(yīng)用于傳感領(lǐng)域的過(guò)渡金屬材料，如Ni、Co、Cu 等，由于其具有低廉的成本、較高的選擇性以及優(yōu)良的催化速率等諸多優(yōu)點(diǎn)[30]，且避免了貴金屬納米粒子電催化葡萄糖過(guò)程易吸附中間體與Cl 離子中毒等缺陷[31]，體現(xiàn)出了良好的傳感器靈敏度。成本低廉的過(guò)渡金屬納米粒子可視為貴金屬納米粒子的良好替代物，被研究者視為構(gòu)建葡萄糖生物傳感器的理想材料之一。

2.1 Ni、Co 基金屬納米材料

金屬Ni 基與Co 基納米材料因其儲(chǔ)量豐富、穩(wěn)定性好、成本低廉及催化性能優(yōu)異，而成為傳感器、光電催化、鋰離子電池及超級(jí)電容器等諸多領(lǐng)域中熱門的研究材料[32]。此外，Ni 基與Co 基兩種納米材料由于其對(duì)葡萄糖優(yōu)異的電催化性能，被廣泛應(yīng)用于無(wú)酶葡萄糖傳感領(lǐng)域。H[33]等將聚合物點(diǎn)(PD)與Ni-Co 氧化物(NiCo2O4)組裝為納米邊組裝球形聚簇，構(gòu)建PDs-NCO 修飾電極，基于該復(fù)合材料的傳感器對(duì)葡萄糖具有優(yōu)異的電催化性能。據(jù)文獻(xiàn)研究[34]，聚合物的摻入能有效改善傳感器的高氧化電位和低靈敏度等缺陷。此外，在氫氧化鈉溶液中，Ni被氧化為Ni2+，Co 被氧化為Co2+，然后兩種離子將變成化合價(jià)更高的氧化物質(zhì)，如Ni3+、Co3+/Co4+，電子從葡萄糖轉(zhuǎn)移到Ni3+、Co3+/Co4+，葡萄糖將進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為葡萄糖內(nèi)酯。因此，Ni2+/Ni3+、Co2+/Co3+/Co4+是葡萄糖催化氧化過(guò)程中重要的電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)[35]。

2.2 Cu 基金屬納米材料

金屬Cu 基納米材料可以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，因而具有良好的電催化活性，被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感領(lǐng)域。此外，Cu2+/Cu3+的高催化活性與優(yōu)異的穩(wěn)定性是Cu 基納米材料的重要特性[36]。如Lu 等[37]采用種子介導(dǎo)生長(zhǎng)法制備了金納米顆粒(AuNPs)與銅納米顆粒(CuNPs)，并將碳納米管(CNTs)和兩種納米粒子落在玻碳電極(GCE)表面，堿性環(huán)境中的銅被氧化為 Cu2+，然后變成更高的氧化物質(zhì)，如Cu3+(CuOOH)，Cu3+是葡萄糖催化氧化過(guò)程中重要的電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)，電子從葡萄糖到Cu3+的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生自由基中間體，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為葡萄糖內(nèi)酯[38]。此外，圖4電極組分實(shí)驗(yàn)研究表明，CuNPs/AuNPs/CNTs修飾電極的I-T曲線相較于其他三種材料修飾電極，其對(duì)葡萄糖具有更為明顯的電化學(xué)響應(yīng)，證明CuNPs 與CNTs 的添加可以顯著增強(qiáng)修飾電極的電化學(xué)活性。

盡管過(guò)渡金屬納米粒子由于其具有的諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域，但是過(guò)渡金屬納米粒子存在的主要缺陷是在其修飾完電極后，將會(huì)在電極表面形成緊密堆積的結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)將會(huì)降低電極表面納米材料的催化比表面積，進(jìn)而影響無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)生物傳感器的電化學(xué)性能[39]。

綜上，貴金屬納米材料的優(yōu)勢(shì)在于其中性pH條件下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的電催化。然而，與過(guò)渡金屬材料納米相比，其靈敏度、抗干擾性和穩(wěn)定性都較差。基于過(guò)渡金屬基的無(wú)酶葡萄糖傳感器比任何基于其他金屬材料的傳感器都具有良好的靈敏度和抗干擾性，但其缺陷是線性范圍不適合血糖診斷，并且相較于貴金屬納米材料，其在中性pH 條件下對(duì)葡萄糖的電催化性能并不是很好。

3 結(jié) 論

無(wú)酶葡萄糖傳感器作為克服酶?jìng)鞲衅鞴逃腥毕莸囊环N可行替代方案，受到了研究者的廣泛關(guān)注，并且該種方案可為酶穩(wěn)定性問(wèn)題、酶復(fù)雜的固定過(guò)程和不可控的實(shí)驗(yàn)條件提供解決方案。然而，無(wú)酶葡萄糖傳感器存在的固有缺陷，即為“無(wú)酶葡萄糖傳感器電催化葡萄糖的選擇性較低”這一關(guān)鍵問(wèn)題始終得不到解決。因此，無(wú)酶葡萄糖傳感器在商業(yè)方面還沒(méi)有超過(guò)酶葡萄糖傳感器，商業(yè)化無(wú)酶葡萄糖傳感器有待進(jìn)一步研究。