无酶葡萄糖电化学传感器研究进展

尚帅，路迎，崔欣阳，顾婷婷

（辽宁科技大学 化学工程学院，辽宁 鞍山 114051）

自21世纪以来，糖尿病的发病率显著提升，已被定为必须解决的非传染性疾病[1-2]。糖尿病的发病原因归结于人体血液中的血糖含量高于正常水平导致高血糖，进而导致视网膜病变、皮肤感染及酮症酸中毒等多种并发症[3]。因此，日常的血糖监测对于糖尿病患者的诊断和治疗就显得尤为重要[4]。近年来，葡萄糖电化学传感器检测方法具有操作简便、检测成本低、响应时间短及灵敏度高等优点[5]，且其对血糖的非侵入性检测完美的解决了手指棒检测血糖的局限性[6]。

20世纪60年代，克拉克和里昂第一次制备了葡萄糖氧化酶电极[7]。电化学葡萄糖生物传感器根据检测机理不同，分为酶基与无酶葡萄糖生物传感器[8]。传统的酶基葡萄糖生物传感器利用葡萄糖氧化酶(GOx)或葡萄糖脱氢酶(GDH)对葡萄糖进行特异性催化分解，因此具有较高的选择性[9]。然而，酶的固有缺陷，如环境不稳定性(pH 值、温度与湿度)和成本昂贵等缺点会对传感器的使用寿命及检测结果准确性造成严重影响[10]。

无酶葡萄糖电化学传感器作为新一代葡萄糖传感技术，相对于酶基葡萄糖电化学传感器具有更高的稳定性和更低的成本，并克服了酶的固有缺陷[11]。无酶葡萄糖电化学传感器是利用金属纳米材料催化剂在碱性介质中，直接在电极表面催化葡萄糖[12]。研究发现金属纳米粒子材料，如过渡金属纳米粒子(Ni、Co、Cu)[13]与贵金属纳米粒子(Au、Ag、Pt)[14]等材料不仅增加了电极催化的比表面积和质量传输，更赋予无酶葡萄糖传感器良好的电化学性能，实现葡萄糖无酶电化学检测[15]，因此，金属纳米粒子在无酶葡萄糖电化学传感器的研究中得到了更为广泛的应用。

1 基于贵金属纳米材料的无酶葡萄糖电化学传感器研究进展

贵金属纳米材料，如Pt、Au、Ag 等纳米催化剂，由于其具有良好的生物相容性、优异的电催化性能、优越的灵敏度以及较低的毒性等优点[16]，被广泛应用于无酶葡萄糖传感器领域。

1.1 Pt 基贵金属纳米材料

金属Pt 基催化剂具有良好的导电性、高的化学稳定性、大的比表面积和较高的机械强度，且在中性介质中对葡萄糖具有高电氧化活性，但其反应某些中间体的表面中毒可导致传感器活性的性能下降[17]。因此，为了充分发挥金属Pt 的高电氧化活性，通过将金属Pt 和其他带有高电氧化活性的过渡金属进行结合，开发一些双金属合金电极催化材料[18]，双金属合金复合电极材料通过增加电极表面积多孔结构，进而增强电极导电性、稳定性及机械强度等特性[19]。如Ayranci 等[20]采用一种新的超声氢氧化物辅助还原方法在还原氧化石墨烯(rGO)上添加单分散铂(Pt)/镍(Ni)纳米复合材料，构建单分散Pt/Ni@rGO 纳米复合材料修饰电极。此研究表明，Pt/Ni 材料的同时添加显著改善了该纳米复合材料的电催化活性，使用I-T 法对Pt@rGO、Ni@rGO、Pt/Ni@rGO 三种不同组分的电极进行I-T 检测，如图1，Pt/Ni@rGO 电极由于双金属间的协同作用，其I-T曲线相对于其他不同组分电极的I-T 曲线具有更为显著的电化学响应，证明金属Ni 材料的添加在一定程度上改善了金属Pt 所具有的缺点。

1.2 Au 基贵金属纳米材料

金属Au 与其他金属相比，因其具有良好的导电性、电催化活性、生物相容性及提供大量的活性位点[21]，已经成功的应用于葡萄糖电化学传感器的构建。如Chiu 等[22]通过使用热还原法和电沉积技术，制备金纳米粒子(Au NPs)二氧化钛改性聚苯胺(PANI)复合材料，构建Au NPs-TiO2/PANI 修饰电极。其中，TiO2具有稳定性良好和造价低廉等优势，被广泛应用于电催化剂领域[23]。此外，在0.1 M NaOH缓冲溶液中加入1 mM 葡萄糖和0.1 mM 干扰物(UA、多巴胺、AA、氯化钠等)，实验I-T 曲线结果表明修饰电极对葡萄糖有较为明显的响应(如图2所示)，而对其他干扰物的电化学响应可以忽略不计，该电极材料具有较好的抗干扰性。

1.3 Ag 基贵金属纳米材料

金属Ag 纳米粒子属于一种典型的贵金属纳米材料，具有独特的生物相容性、优异的催化活性、低毒性和抗菌性能[24]，受到了研究者的广泛关注。

Baghayeri 等[25]通过二甲双胍功能化多壁碳纳米管(MW CNT)的辅助，并在电极表面电沉积银纳米粒子，构建Ag@MH/MW CNT 纳米复合材料修饰电极，并采用循环伏安法(CV)检测不同浓度的葡萄糖，如图3所示，随着葡萄糖浓度的增大，其CV 曲线氧化峰电流逐渐增大，还原峰电流逐渐减小。据文献研究[26]，整个体系中的Ni3+与Ni2+处于一个短暂的动态平衡，当加入葡萄糖后，将会消耗Ni3+氧化葡萄糖，从而导致还原峰电流的轻微下降。另一方面，葡萄糖的氧化可能导致电极镍基材料吸附葡萄糖氧化中间体，进而减缓相应反应的动力学，从而导致阳极峰减小。

基于贵金属纳米材料的无酶葡萄糖传感器表现出良好的灵敏度和较低的检测限，同时这种传感器由于多种干扰物的存在而导致稳定性差、选择性低和低灵敏度等缺点[27]。此外，贵金属纳米材料的高成本进一步限制了其应用[28]。相对于贵金属纳米粒子来说，大量的过渡金属纳米材料由于具有比表面积大、成本低廉及电催化性能更为优异等诸多优点，将可能成为贵金属纳米粒子电催化葡萄糖的一种可行替代物。

2 基于过渡金属纳米材料的无酶葡萄糖传感器研究进展

过渡金属材料因其地球储备量富余、易于加工制备、化学稳定性强等优点，在工程、通信、催化等诸多领域得到了广泛的应用[29]。应用于传感领域的过渡金属材料，如Ni、Co、Cu 等，由于其具有低廉的成本、较高的选择性以及优良的催化速率等诸多优点[30]，且避免了贵金属纳米粒子电催化葡萄糖过程易吸附中间体与Cl 离子中毒等缺陷[31]，体现出了良好的传感器灵敏度。成本低廉的过渡金属纳米粒子可视为贵金属纳米粒子的良好替代物，被研究者视为构建葡萄糖生物传感器的理想材料之一。

2.1 Ni、Co 基金属纳米材料

金属Ni 基与Co 基纳米材料因其储量丰富、稳定性好、成本低廉及催化性能优异，而成为传感器、光电催化、锂离子电池及超级电容器等诸多领域中热门的研究材料[32]。此外，Ni 基与Co 基两种纳米材料由于其对葡萄糖优异的电催化性能，被广泛应用于无酶葡萄糖传感领域。H[33]等将聚合物点(PD)与Ni-Co 氧化物(NiCo2O4)组装为纳米边组装球形聚簇，构建PDs-NCO 修饰电极，基于该复合材料的传感器对葡萄糖具有优异的电催化性能。据文献研究[34]，聚合物的掺入能有效改善传感器的高氧化电位和低灵敏度等缺陷。此外，在氢氧化钠溶液中，Ni被氧化为Ni2+，Co 被氧化为Co2+，然后两种离子将变成化合价更高的氧化物质，如Ni3+、Co3+/Co4+，电子从葡萄糖转移到Ni3+、Co3+/Co4+，葡萄糖将进一步转化为葡萄糖内酯。因此，Ni2+/Ni3+、Co2+/Co3+/Co4+是葡萄糖催化氧化过程中重要的电子转移介质[35]。

2.2 Cu 基金属纳米材料

金属Cu 基纳米材料可以促进电子转移反应，因而具有良好的电催化活性，被广泛应用于电化学传感领域。此外，Cu2+/Cu3+的高催化活性与优异的稳定性是Cu 基纳米材料的重要特性[36]。如Lu 等[37]采用种子介导生长法制备了金纳米颗粒(AuNPs)与铜纳米颗粒(CuNPs)，并将碳纳米管(CNTs)和两种纳米粒子落在玻碳电极(GCE)表面，碱性环境中的铜被氧化为 Cu2+，然后变成更高的氧化物质，如Cu3+(CuOOH)，Cu3+是葡萄糖催化氧化过程中重要的电子转移介质，电子从葡萄糖到Cu3+的转移产生自由基中间体，并进一步转化为葡萄糖内酯[38]。此外，图4电极组分实验研究表明，CuNPs/AuNPs/CNTs修饰电极的I-T曲线相较于其他三种材料修饰电极，其对葡萄糖具有更为明显的电化学响应，证明CuNPs 与CNTs 的添加可以显著增强修饰电极的电化学活性。

尽管过渡金属纳米粒子由于其具有的诸多优点被广泛用于无酶葡萄糖电化学生物传感器领域，但是过渡金属纳米粒子存在的主要缺陷是在其修饰完电极后，将会在电极表面形成紧密堆积的结构，该种结构将会降低电极表面纳米材料的催化比表面积，进而影响无酶葡萄糖电化学生物传感器的电化学性能[39]。

综上，贵金属纳米材料的优势在于其中性pH条件下可以实现对葡萄糖的电催化。然而，与过渡金属材料纳米相比，其灵敏度、抗干扰性和稳定性都较差。基于过渡金属基的无酶葡萄糖传感器比任何基于其他金属材料的传感器都具有良好的灵敏度和抗干扰性，但其缺陷是线性范围不适合血糖诊断，并且相较于贵金属纳米材料，其在中性pH 条件下对葡萄糖的电催化性能并不是很好。

3 结 论

无酶葡萄糖传感器作为克服酶传感器固有缺陷的一种可行替代方案，受到了研究者的广泛关注，并且该种方案可为酶稳定性问题、酶复杂的固定过程和不可控的实验条件提供解决方案。然而，无酶葡萄糖传感器存在的固有缺陷，即为“无酶葡萄糖传感器电催化葡萄糖的选择性较低”这一关键问题始终得不到解决。因此，无酶葡萄糖传感器在商业方面还没有超过酶葡萄糖传感器，商业化无酶葡萄糖传感器有待进一步研究。