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探索科学杂志

主管:中华人民共和国工业和信息化部

主办:电子工业出版社 

出版:电子工业出版社

国内刊号:CN10-1148/N

国际刊号:ISSN 2095-588X

邮发代号:82-213

社长:王传臣

总编:刘九如

执行主编:来春丽 

策划总监:王   涛 

编辑部:谢   田、弓   篇

学术部:王   禹

科技部:刘蕊平

地址:北京市万寿路南口全家村288号华信大厦

电话:13716576588

QQ:1980291414

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最新动态

无酶葡萄糖电化学传感器电极材料研究进展

王悦

(山东建筑大学 山东 济南 250101

摘要:人体内各组织细胞均需要血糖来提供能量,其中大部分为葡萄糖,且血糖水平必须维持在一定范围内才能保证身体各器官组织的需求。因,能够快速高效地检测葡萄糖浓度的传感器成为研究热点。文章主要研究如贵金属材料,过渡金属及其氧化物纳米材料作为电极材料在无酶葡萄糖电化学传感器中的研究应用,探讨分析无酶葡萄糖电化学传感器电极材料的现状及发展趋势,对今后无酶葡萄糖电化学传感器的发展前景进行了展望

关键词:电化学传感;无酶;葡萄糖;电极材料

0引言

糖尿病是一种长时间高血糖为特征的代谢性疾病,严重时可危及生命。葡萄糖作为血糖的主要成分,其检测方法有着悠久的发展历程[1]ClarkLyons1962研发了第一个生物传感器[2]这项开创性工作为后续开发电化学生物传感器做出了巨大的贡献,全球销售额从30年前的不到每年500万美元[3]增长到2018年的超过180亿美元。除生物酶传感器外,稳定性更为优异的无酶葡萄糖传感器也受到了极大关注。

1无酶葡萄糖电化学传感器

1.1 无酶葡萄糖电化学传感器的分类

Park[4]等人2006年在Analytica Chimica Acta讲述了无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展,并将无酶传感器主要分为三类分别是电位式、伏安型和电流[5]。其中电流型无酶葡萄糖电化学传感器是目前研究最多的一类。这种传感器通常使用计时电流来分析测定溶液中的葡萄糖含量。目前,已有多种金属、金属氧化物材料纳米材料被应用于这类传感器的研制中。

1.2 无酶葡萄糖电化学传感器的发展

1962第一个酶电极被研发用于测定葡萄糖[2],研究人员一直非常关注基于酶的电化学生物传感器的开发[6]但第一代传感器反应介质为氧气,难以检测氧气缺陷样品。于是第二代葡萄糖传感器诞生[7],改为人工介质。第三代传感器直接将酶固定到电极表面对葡萄糖进行氧化[8],缩短酶与电极表面之间的距离,有效地增强了传感器的性能。但第三代传感器依旧因酶的缺点受到限制。第四代葡萄糖无酶电化学传感器是基于葡萄糖分子在电极表面相关催化活化材料上直接进行的电催化氧化行为,根据其电流响应来判断葡萄糖溶液的浓度,且反应过程中不再需要葡萄糖氧化酶的参与[9]

2无酶葡萄糖电化学传感器电极材料

2.1贵金属电极材料

最早作为无酶葡萄糖传感器的电极材料就是PtAu。虽然Pt电极对葡萄糖的催化氧化效率较高,但Pt电极材料对电极表面面积依赖程度高、制造成本高,裸露在电极表面的Pt易吸收中间产物而中毒[10],这些不足限制了Pt电极在葡萄糖催化方面的应用。Au对葡萄糖的电催化氧化有较高的活性,也常用于无酶葡萄糖传感器的电极材料。在使用单纯贵金属电极时,经常需要施加脉冲电流以保证电极表面没有中间产物吸附,但通过脉冲得到新鲜的电极表面的做法极容易损坏电极。为了消除缺陷,在贵金属电极表面沉积PdCuTi等金属,可以使相对电流峰得到显著提高从而识别催化又可以抑制干扰离子在电极上吸附而导致的电极中毒或检测干扰[11]例如,Casella[12]等用电化学沉积方法将铜附着到金电极表面上,形成铜微粒均匀分散的双金属传感电极,实验结果表明该电极当在+0.350 V的施加电势下双金属电极的检测极限为0.8 pmol葡萄糖(S/N=3),线性动态范围达到四个数量级,催化能力较单纯的金电极有所提高。

2.2过渡金属及其氧化物电极材料

过渡金属材料及其氧化物材料具有稳定性好、价格低廉容易制备对葡萄糖催化氧化活性高等优势,因此多被用于无酶葡萄糖电化学传感器电极的制备。与贵金属电极相比,过渡金属电极不需通过脉冲电流去除吸附的表面物质来获得新鲜的电极表面,可直接通过恒电位计时电流法对样品溶液中的葡萄糖进行检测,且电极材料的来源更加广泛,成本更加低廉。为了消除单电极缺陷,辛华[13]等利用电化学沉积法制备多孔三维结构的铜薄膜电极,具有比表面积大,稳定性、选择性良好等优点;Meng[14]等通过一种简单的水热法,使Co3O4米片完整且均匀地包裹在泡沫Ni的表面上形成3D异质结构,制备出一种超灵敏的葡萄糖传感器响应时间小于10s

3无酶葡萄糖电化学传感器的展望

无酶葡萄糖电化学传感器相比传统酶电化学传感器具有灵敏度高、选择性高、稳定性高等特点。目前无酶葡萄糖电化学传感器的研究广泛,为了使无酶葡萄糖电化学传感器的电化学性能更加优异,引入了纳米材料作为葡萄糖电化学传感器电极材料,其界面效应、尺寸效应等都将极大地提升电化学传感器的性能。且纳米材料因其大的比表面积,能够提供更多与葡萄糖反应的活性位点,提高传感器灵度,降低响应时间随着不同微观结构的纳米材料的发现,以及人们对纳米材料电极的催化氧化机理的深入研究探讨,未来无酶葡萄糖电化学传感器的构建思路和发展将会有着更进一步的提升。

参考文献

[1]Wang J. Electrochemical Glucose Biosensors[J].Chem Rev,208,108(2):814-825.

[2]Clark Jr, L.C., Lyons, C. Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1962, 102, 29-45.

[3]Labib, M., Sargent, E.H., Kelley, S.O. Electrochemical methods for the analysis of clinically relevant biomolecules. Chem. Rev. 2016, 116, 9001-9090.

[4]Park S, Boo H, Chung T D. Electrochemical non-enzymatic glucose sensor [J]. Anal. Chim. Acta 2006. 556:46-57.

[5]庄贞静, 肖丹, 李毅. 无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展[J]. 化学研究与应用, 2009(11):8-15.

[6]C.Chen, Q.J.Xie, D.W.Yang, H.L.Xiao, Y.C.Fu, Y.M.Tan, S.Z.Yao, Recent advancesin electrochemical glucose biosensors: a review, RSC Adv. 3 (2013) 4473–4492.

[7] Xiao, X., Si, P., Magner, E. An overview of dealloyed nanoporous gold in bioelectrochemistry.Bioelectrochemistry 2016, 109, 117–126.

[8] Otero F, Magner E. Biosensors—Recent Advances and Future Challenges in Electrode Materials[J]. Sensors, 2020, 20(12):3561.

[9] Tian K, Prestgard M , Tiwari A . A review of recent advances in nonenzymatic glucose sensors[J]. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 2014, 41(aug.):100-118.

[10] Houghes S, Johnson D C. Amperometric detection of simple carbohydrates at platinum electrodes in alkaline solutions by application of a triple-pulse potential waveform [J]. Anal Chim. Acta, 1981, 132:11-22

[11] Xonoglou N, Kokkinidis G. Catalysis of the oxidation of monosaccharides on platinum surfaces modified by underpotential submonolayers[J]. Bioelectrochemistry & Bioenergetics, 1984, 12(5-6):485-498.

[12] Casella I G, Gatta M, Guascito M R, et al. Highly-dispersed copper microparticles on the active gold substrate as an amperometric sensor for glucose[J]. Analytica Chimica Acta, 1997, 357(1-2):63-71.

[13]辛华, 陈丽波, 史鸿雁, et al. 电化学沉积制备纳米结构铜电极及其葡萄糖检测性能[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(003):482-487.

[14] Meng S, Wu M, Wang Q, et al. Cobalt oxide nanosheets wrapped onto nickel foam for non-enzymatic detection of glucose[J]. Nanotechnology, 2016, 27(34):344001.


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社长:王传臣

总编:刘九如

执行主编:来春丽 

策划总监:王   涛 

编辑部:谢   田、弓   篇

学术部:王   禹

科技部:刘蕊平

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电话:13716576588

QQ:1980291414

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探索科学杂志范文-无酶葡萄糖电化学传感器电极材料研究进展

无酶葡萄糖电化学传感器电极材料研究进展

王悦

(山东建筑大学 山东 济南 250101

摘要:人体内各组织细胞均需要血糖来提供能量,其中大部分为葡萄糖,且血糖水平必须维持在一定范围内才能保证身体各器官组织的需求。因,能够快速高效地检测葡萄糖浓度的传感器成为研究热点。文章主要研究如贵金属材料,过渡金属及其氧化物纳米材料作为电极材料在无酶葡萄糖电化学传感器中的研究应用,探讨分析无酶葡萄糖电化学传感器电极材料的现状及发展趋势,对今后无酶葡萄糖电化学传感器的发展前景进行了展望

关键词:电化学传感;无酶;葡萄糖;电极材料

0引言

糖尿病是一种长时间高血糖为特征的代谢性疾病,严重时可危及生命。葡萄糖作为血糖的主要成分,其检测方法有着悠久的发展历程[1]ClarkLyons1962研发了第一个生物传感器[2]这项开创性工作为后续开发电化学生物传感器做出了巨大的贡献,全球销售额从30年前的不到每年500万美元[3]增长到2018年的超过180亿美元。除生物酶传感器外,稳定性更为优异的无酶葡萄糖传感器也受到了极大关注。

1无酶葡萄糖电化学传感器

1.1 无酶葡萄糖电化学传感器的分类

Park[4]等人2006年在Analytica Chimica Acta讲述了无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展,并将无酶传感器主要分为三类分别是电位式、伏安型和电流[5]。其中电流型无酶葡萄糖电化学传感器是目前研究最多的一类。这种传感器通常使用计时电流来分析测定溶液中的葡萄糖含量。目前,已有多种金属、金属氧化物材料纳米材料被应用于这类传感器的研制中。

1.2 无酶葡萄糖电化学传感器的发展

1962第一个酶电极被研发用于测定葡萄糖[2],研究人员一直非常关注基于酶的电化学生物传感器的开发[6]但第一代传感器反应介质为氧气,难以检测氧气缺陷样品。于是第二代葡萄糖传感器诞生[7],改为人工介质。第三代传感器直接将酶固定到电极表面对葡萄糖进行氧化[8],缩短酶与电极表面之间的距离,有效地增强了传感器的性能。但第三代传感器依旧因酶的缺点受到限制。第四代葡萄糖无酶电化学传感器是基于葡萄糖分子在电极表面相关催化活化材料上直接进行的电催化氧化行为,根据其电流响应来判断葡萄糖溶液的浓度,且反应过程中不再需要葡萄糖氧化酶的参与[9]

2无酶葡萄糖电化学传感器电极材料

2.1贵金属电极材料

最早作为无酶葡萄糖传感器的电极材料就是PtAu。虽然Pt电极对葡萄糖的催化氧化效率较高,但Pt电极材料对电极表面面积依赖程度高、制造成本高,裸露在电极表面的Pt易吸收中间产物而中毒[10],这些不足限制了Pt电极在葡萄糖催化方面的应用。Au对葡萄糖的电催化氧化有较高的活性,也常用于无酶葡萄糖传感器的电极材料。在使用单纯贵金属电极时,经常需要施加脉冲电流以保证电极表面没有中间产物吸附,但通过脉冲得到新鲜的电极表面的做法极容易损坏电极。为了消除缺陷,在贵金属电极表面沉积PdCuTi等金属,可以使相对电流峰得到显著提高从而识别催化又可以抑制干扰离子在电极上吸附而导致的电极中毒或检测干扰[11]例如,Casella[12]等用电化学沉积方法将铜附着到金电极表面上,形成铜微粒均匀分散的双金属传感电极,实验结果表明该电极当在+0.350 V的施加电势下双金属电极的检测极限为0.8 pmol葡萄糖(S/N=3),线性动态范围达到四个数量级,催化能力较单纯的金电极有所提高。

2.2过渡金属及其氧化物电极材料

过渡金属材料及其氧化物材料具有稳定性好、价格低廉容易制备对葡萄糖催化氧化活性高等优势,因此多被用于无酶葡萄糖电化学传感器电极的制备。与贵金属电极相比,过渡金属电极不需通过脉冲电流去除吸附的表面物质来获得新鲜的电极表面,可直接通过恒电位计时电流法对样品溶液中的葡萄糖进行检测,且电极材料的来源更加广泛,成本更加低廉。为了消除单电极缺陷,辛华[13]等利用电化学沉积法制备多孔三维结构的铜薄膜电极,具有比表面积大,稳定性、选择性良好等优点;Meng[14]等通过一种简单的水热法,使Co3O4米片完整且均匀地包裹在泡沫Ni的表面上形成3D异质结构,制备出一种超灵敏的葡萄糖传感器响应时间小于10s

3无酶葡萄糖电化学传感器的展望

无酶葡萄糖电化学传感器相比传统酶电化学传感器具有灵敏度高、选择性高、稳定性高等特点。目前无酶葡萄糖电化学传感器的研究广泛,为了使无酶葡萄糖电化学传感器的电化学性能更加优异,引入了纳米材料作为葡萄糖电化学传感器电极材料,其界面效应、尺寸效应等都将极大地提升电化学传感器的性能。且纳米材料因其大的比表面积,能够提供更多与葡萄糖反应的活性位点,提高传感器灵度,降低响应时间随着不同微观结构的纳米材料的发现,以及人们对纳米材料电极的催化氧化机理的深入研究探讨,未来无酶葡萄糖电化学传感器的构建思路和发展将会有着更进一步的提升。

参考文献

[1]Wang J. Electrochemical Glucose Biosensors[J].Chem Rev,208,108(2):814-825.

[2]Clark Jr, L.C., Lyons, C. Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1962, 102, 29-45.

[3]Labib, M., Sargent, E.H., Kelley, S.O. Electrochemical methods for the analysis of clinically relevant biomolecules. Chem. Rev. 2016, 116, 9001-9090.

[4]Park S, Boo H, Chung T D. Electrochemical non-enzymatic glucose sensor [J]. Anal. Chim. Acta 2006. 556:46-57.

[5]庄贞静, 肖丹, 李毅. 无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展[J]. 化学研究与应用, 2009(11):8-15.

[6]C.Chen, Q.J.Xie, D.W.Yang, H.L.Xiao, Y.C.Fu, Y.M.Tan, S.Z.Yao, Recent advancesin electrochemical glucose biosensors: a review, RSC Adv. 3 (2013) 4473–4492.

[7] Xiao, X., Si, P., Magner, E. An overview of dealloyed nanoporous gold in bioelectrochemistry.Bioelectrochemistry 2016, 109, 117–126.

[8] Otero F, Magner E. Biosensors—Recent Advances and Future Challenges in Electrode Materials[J]. Sensors, 2020, 20(12):3561.

[9] Tian K, Prestgard M , Tiwari A . A review of recent advances in nonenzymatic glucose sensors[J]. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 2014, 41(aug.):100-118.

[10] Houghes S, Johnson D C. Amperometric detection of simple carbohydrates at platinum electrodes in alkaline solutions by application of a triple-pulse potential waveform [J]. Anal Chim. Acta, 1981, 132:11-22

[11] Xonoglou N, Kokkinidis G. Catalysis of the oxidation of monosaccharides on platinum surfaces modified by underpotential submonolayers[J]. Bioelectrochemistry & Bioenergetics, 1984, 12(5-6):485-498.

[12] Casella I G, Gatta M, Guascito M R, et al. Highly-dispersed copper microparticles on the active gold substrate as an amperometric sensor for glucose[J]. Analytica Chimica Acta, 1997, 357(1-2):63-71.

[13]辛华, 陈丽波, 史鸿雁, et al. 电化学沉积制备纳米结构铜电极及其葡萄糖检测性能[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(003):482-487.

[14] Meng S, Wu M, Wang Q, et al. Cobalt oxide nanosheets wrapped onto nickel foam for non-enzymatic detection of glucose[J]. Nanotechnology, 2016, 27(34):344001.