功能化石墨烯自组装体系的构建及传感性能研究(2)

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1.2.1 第一代葡萄糖酶电极

Clark和Lyous的装置依赖于通过半透膜帮助氧电极来捕获的GOx薄层，它使用天然的氧气作为辅底物，通过检测酶催化反应氧气的消耗量或生成的H2O2来测定葡萄糖[式(1)和式(2)]。其中检测过氧化物具有简便、传感器易于微型化等优点。

GOx-FAD + glucose — GO-FADH2 + gluconolactone（1）

GOx-FADH2 + O2 — GO-FAD + H2O2 （2）

其中，葡萄糖氧化酶是对β—D一葡萄糖有专一催化活性，分子量为150一180kDa的二聚体。在参与氧化反应过程中，葡萄糖氧化酶的活性中心FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)从氧化态变为还原态的FADH2，变为还原态的葡萄糖氧化酶即失去继续催化能力，因而在氧气的参与下，才可从还原态变回氧化态，目前学界认为葡萄糖氧化酶氧化态还原态相互转化的速度是决定葡萄糖氧化总反应的速度。

检测血糖的酶电极，阳极检测释放出的过氧化氢的氧化反应产生的电流（3）[4]：

H2O2→O2+2H++2e- (3)

基于氧化酶的装置是以氧气为生理性电子受体，氧气的压强波动与化学计量限制易引起测量误差，包括传感器响应的波动和线性范围上限的降低。常规的氧浓度比葡萄糖的生理水平低一个数量级。

减小氧气影响的方法：

一种方法是使用质量传递限制膜(如聚氨酯或聚碳酸酯)，这种膜可以改变葡萄糖和氧气的流量，即增加氧气／葡萄糖透过率。一种是使用能够减小氧气影响的二维圆筒形电极，氧气可以从两个方向扩散到传感器中的酶区域，而葡萄糖只能从一个方向扩散。还设计了一种富氧碳糊酶电极，该传感器使用碳氟化合物流动液，在这种液体中氧气的溶解性较好，因而可以作为氧气的内部来源。使用这种电极，即使在不含氧气的葡萄糖溶液中，内部溶解的氧气也可以使酶催化反应顺利进行。

1.2.2 介体葡萄糖酶电极

鉴于第一代葡萄糖氧化酶的缺点，人们投入了很大的精力来开发以介体为基础的“第二代”葡萄糖生物传感器。在葡萄糖氧化酶电极中引入化学介体(chemical mediator)取代02/H202，作用是把葡萄糖氧化酶氧化，使之再生后循环使用，而电子传递介体本身被还原，又在电极上被氧化。利用电子传递介体后，既不涉及O2，也不涉及H2O2，而是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。

葡萄糖+GOx(ox)一葡萄糖酸+GOx(red) (4)

G0x(red)+2M(ox)—GOx(ox)+2M(red)+2H+ (5)

2M(red)一2M(ox)+2e- (6)

式中M(0x)和M(red)为介体的氧化态和还原态。使用非生理性(合成)电子受体使电子在酶的氧化还原中心和电极表面之间来回传递。由于GOx的黄素氧化还原中心被一层厚厚的蛋白质所包围，因而很难直接将电子传递给常规电极。这一厚层蛋白质将电子给体一受体隔开，对直接电子传递形成了一种内在障碍。要确保传感器达到最佳性能，即提高GOx氧化还原中心与电极表面之间的电子传递效率，人们提出了各种不同的创新性方法。

但是第二类传感器存在介体会发生部分溶解或因扩散而离开电极表面导致介体流失的现象，从而影响传感器的稳定性和使用寿命的缺点。近四十年来，电子媒介体的研究得到迅速发展，使用的媒介体种类也越来越多。在现实应用中，通常采用以下几类媒介体:有机金属类包括二茂铁及其衍生物，钴酞菁、铁氰化物、金属卟啉和氧化钌复合物等;有机类包括许多有机染料，如麦尔多拉蓝 (Meldola Blue)、尼罗蓝 (Nile Blue)、甲苯胺蓝 (Toluidine Blue)、亚甲基蓝(Methylene Blue)以及吩嗪类等;此外常用的还有醌-氢醌、四氰基对醌二甲烷(TeNQ)、四硫富瓦烯(TTF)、紫精以及有机导电盐[5]。