纳米金属氧化物在葡萄糖氧化酶传感器中的应用进展

作者：李治 李彩红

来源：《科技视界》 2014年第19期

李 治1 李彩红2

（1.陕西中医学院，陕西 咸阳 712046；2.渭南职业技术学院，陕西 渭南 714026）

０ 引言

在已经报道的各种不同种类的纳米材料中，纳米金属氧化物(NMOs)作为酶固定基质促进传感器的发展引起了人们的关注[1-3]。金属的纳米结构的氧化物比如锌，铁，铈，锡，锆，钛，镁等金属，被发现具有功能化的生物相容性，高的表面反应活性，高的催化效率，无毒和催化特性，并且还表现出增强的电子转移动力学和很强的吸附能力，且对生物分子的固定化提供了一个合适的微环境，因此纳米金属氧化物逐渐被用来固定生物分子来构建含酶的生物传感器。用NMOs固定葡萄糖氧化酶(GOx)构建葡萄糖氧化酶传感器有很多方法，一种方法为使具有高的等电点（IEP）的NMOs通过静电相互作用来固定具有低IEP的酶，而使用此方法来改善葡萄糖传感器的灵敏度和线性范围是这个领域的研究焦点，以下综合介绍几种常见的NMOs在葡萄糖氧化酶生物传感器中的应用进展。

1 锌、铈、钛、铁、镁、镍等纳米氧化物在葡萄糖传感器中的应用现状

梳状形貌的单晶氧化锌（ZnO）可通过气相沉积法制备出来，其具有的三维多孔网络提供了高的比表面积和良好的生物相容性，使得GOx的负载量达到了很高的密度，基于这种NMOs的葡萄糖传感器的灵敏度可达到15.33μA mM-1 cm-2，GOx对葡萄糖的亲和性也很高，米氏常数(Km) 为2.19mM[4]。通过化学蚀刻ZnO纳米棒并且电沉积到金表面制备的ZnO纳米管阵列也能很好的固定GOx，此方法构建的葡萄糖传感器同样展示了良好的性能，其优点是不需要电子介体，且有很宽的线性范围，很低的检测限（1μM），灵敏度和米氏常数分别为21.7μA mM-1cm-2和21.7mM[5]。

基于氧化锌纳米纤维（直径195-350nm）的连续血糖监测的电流型传感器通过静电纺丝技术制备出来，由于氧化锌纳米纤维高的比表面积和更高的对酶的负载容量，使得GOx较完整地保持了其生物活性并且在20-85℃之间增强了其热稳定性，此葡萄糖传感器的灵敏度为70.2μA mM-1 cm-2[6]。固定在ZnO(C-ZnO)纳米线阵列修饰的碳电极上的葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶（HRP）的无介体传感器最近被制备出来[7]，这种传感器对葡萄糖具有很高的灵敏度和很低的检测限，C-ZnO纳米线阵列对于GOx是一种快速、直接的电化学平台。一种可直接测量人体脂肪细胞和蛙卵母细胞内的葡萄糖的传感器被开发出来，是将葡萄糖氧化酶吸附到六角形的ZnO纳米棒上，然后将ZnO纳米棒置于银包覆的硼硅玻璃毛细管尖端（直径为0.7μm）[8]。

纳米结构的氧化铈（CeO2）它的IEP是9.4，其具有高的电子传递速率常数和良好的表面覆盖性且对酶的负载量很高，因此电子可以在GOx的活性位点和电极之间进行快速的转移。Saha[9]等使用脉冲激光将多孔的CeO2薄膜沉积到铂金涂层的玻璃板上用于GOx的固定，通过此法构建的传感器米氏常数Km可低至1.01mM，但这种传感器由于制造昂贵且需要一定的专业技术来实现。而也有报道通过简单的溶胶凝胶法(sol-gel)来制备多孔的CeO2薄膜来构建葡萄糖氧化酶传感器[10]。

Wen[11]等使用一种新方法制备具有生物功能的纳米催化剂，具体是将金/铂纳米粒子混合后分散均匀，然后通过静电相互作用组装到氨基官能化的二氧化钛胶体球上，纳米颗粒的TiO2-Au/Pt具有优异的催化还原过氧化氢的能力。另一种氨基功能化的多孔TiO2与铂纳米粒子组装在一起来固定GOx构建葡萄糖生物传感器[12]，由于TiO2-Pt纳米粒子使得电子在GOx与电极之间的转移被加强了，因此检测限可达到0.25μM。

一种由GOx固定在Fe3O4（直径22nm）上的薄膜分散在壳聚糖(CHI)中制备出来的无电子介体的葡萄糖传感器[13]，展示了强的电子转移效果，因此具备了优异的传感特性，比如良好的线性，高的灵敏度和极低的米氏常数Km(0.141mM)，复合物体系中的Fe3O4纳米粒子给体系提供了一个高的电活性表面，这有助于GOx的定向固定。另一种基于MgO的多面纳米笼和纳米晶体通过简单的非催化热蒸发来制备，并将其应用于葡萄糖传感器的构建[14]，所得的传感器灵敏度可达到31.6 μA μM-1 cm-2，响应时间小于5秒，线性范围为1.0-9.0μM，检测限可以达到68.3±0.02nM。使用电化学共沉积纳米多孔镍氧化物(NiOx)与GOx到玻碳电极（GCE）上制备出的无电子介体的葡萄糖传感器已被报道[15]，GOx在NiOx膜上的表面覆盖量为0.945 pmol cm-2，异相电子传递速率常数（Ks）为25.2±0.5 s-1，这一切表明NiO纳米粒子具有高的酶负载量和与GOx之间快速的电子转移速率，这种传感器对于葡萄糖的实时监测是有用的，这项研究为NiO和MgO的结合作为电子介体构建高效的传感器提出了一个新方向。

2 展望

因为纳米金属氧化物基本上具有大的表面-体积比，高的IEP值，并提供了对葡萄糖氧化酶固定化更好的表面，研究者们已经非常重视将这些电极材料应用于对血糖的监测，且预期性能更稳定，更敏感且干扰更少。基于对纳米金属氧化物的葡萄糖传感器的研究，这种跨学科的结合有可能产生新一代电化学生物传感器，并将其扩展到整个生物传感器产业。同样可以预期NMOs的更新应用可以构建出新型的传感设备，这种设备具有信号的放大增强，编码策略的生物亲和性分析，与氧化还原的酶生物分子的高效电通信，这样可以满足未来的诊断需求。

【参考文献】

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［7］J. Liu, Y. Li, X. Huang, Z. Zhu, Nanoscale Res[J]. Lett. 5, 1177 (2010).

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［12］D. Wan et al., J. Phys[Z]. Chem. C 113, 13023 (2009).

［13］A. Kaushik et al., Biosens[J]. Bioelectron. 24, 676 (2008).

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［15］A. Salimi, E. Sharifi , A. Noorbakhsh, S. Soltanian, Biosens[Z]. Bioelectron. 22, 3146 (2007).

［责任编辑：汤静］