新型葡萄糖生物传感器的构筑、机理及应用研究
生物传感器的原理和应用
生物传感器的原理和应用随着生物技术和纳米技术的发展，生物传感器逐渐成为了现代科技发展的一个热门领域。
生物传感器是一种能够通过检测微小生物体、生物反应或生物元素来测定生物活性的设备，随着生物传感器应用范围的不断扩大，其体积持续缩小，功能持续增强，越来越多的领域在使用生物传感器来提高生产效率和科技水平，到目前为止，其广泛应用于医学、环境监测、食品安全等领域。
一、生物传感器的原理生物传感器是通过生物体与物理和化学学科结合而产生的一种新型传感器，其通过生物体与物理和化学学科的相互作用，能够检测出微小的生物体、生物反应以及生物元素，实现对生物活性的测定。
其原理主要有光学测量法、电化学测量法、物理测量法和生物测量法等。
1. 光学测量法光学测量法是通过感应光学信号来测量生物体的活性，光学测量法广泛应用于荧光、光电能量转换、折射以及散射等领域。
在生物体感应光学信号的过程中，需要使用光源来激发或检测生物体发生的光学效应，从而实现测量和识别生物体。
2. 电化学测量法电化学测量法是通过测量物质与电解液之间的相互作用来测量生物体的活性，电化学测量法主要涉及到电导、电位和电荷等方面，通过对电化学效应的测量，可以实现对生物活性的测定。
电化学测量法广泛应用于电分析化学、电分析生物化学、电分析医学等领域。
3. 物理测量法物理测量法是通过测量生物体生成的物理效应来测量其活性，例如温度、压力、声波、磁场等。
物理测量法的测量基于物理学原理，在生物组织、生物胶体颗粒、生物膜等方面具有广泛的应用。
4. 生物测量法生物测量法是通过测量生物内部的生理和生化过程来测量其活性。
生物测量法需要根据生物的不同特征，采用不同的测试方法来测量其活性，例如重金属离子浓度的测定、生物酶迅速检测等。
二、生物传感器的应用生物传感器的应用领域主要包括医学、环境监测、生化工程、食品安全等多个领域。
1. 医学领域生物传感器在医学领域中应用广泛，例如在血糖检测、蛋白质检测等方面都有一定的应用。
葡萄糖传感器
基于ZnO/Nafion有机-无机复合膜固定双酶的葡萄糖传感器研究基于酶促反应的的葡萄糖传感器其最基本的原理是：利用固定化葡萄糖氧化酶膜作识别器件，将感受的葡萄糖量转换成可用输出信号。
葡萄糖传感器基本由酶膜和Clark氧电极或过氧化氢电极组成。
在葡萄糖氧化酶的催化作用下,葡萄糖发生氧化反应消耗氧气，生成葡萄糖酸内酯和过氧化氢。
葡萄糖氧化酶被半透膜通过物理吸附的方法固定在靠近铂电极的表面，其活性依赖于其周围的氧浓度。
葡萄糖与葡萄糖氧化酶反应，生成两个电子和两个质子。
被氧及电子质子包围的还原态葡萄糖氧化酶经过反应后，生成过氧化氢及氧化态葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶回到最初的状态并可与更多的葡萄糖反应。
葡萄糖浓度越高，消耗的氧越多，生成的过氧化氢越多。
葡萄糖浓度越少，则相反。
因此，氧的消耗及过氧化氢的生成都可以被铂电极所检测，并可以作为测量葡萄糖测定的方法。
但是作为检测物的过氧化氢的氧化需要在较高的电位下进行，而高电位条件下的许多电活性物质都会被氧化而干扰，影响传感器的选择性。
为了解决这个问题，就需要降低传感器的操作电位。
有两种办法可以解决这个问题：1、制备介体酶传感器，2、用过氧化物酶和氧化酶结合制成双电极。
HRP制成的过氧化物酶电极在测定过氧化氢时具有较高的灵敏度和选择性，并且操作电位通常比较低，在这样的电位下可以避免一些电活性物质的干扰。
另外纳米颗粒固定化酶在解决这一问题上也比较有效。
纳米粒子具有特殊的壳层结构。
这种结构使纳米颗粒具有特殊的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应以及由此产生的许多光学和电学性质。
纳米粒子具有高比表面积、高活性、强吸附力及高催化效率等优异特性，可增加酶的吸附量和稳定性，同时还能提高酶的催化活性，使酶的电极响应灵敏度得到提高。
将纳米材料掺杂到传感器敏感膜内，可以提供生物材料适应的微环境，达到维持生物组分活性和改进生物传感器性能的目的。
例如将ZnO分散在Nafion中构成的葡萄糖电极就利用了ZnO的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、吸附能力强等性能和Nafion的成膜、抗干扰能力，制成了响应快速、灵敏度高的葡萄糖传感器。
基于Amplex UltraRed和HRP的新型葡萄糖生物传感器
TWO
02 实验内容实Leabharlann 内容01仪器与试剂
试剂：壳聚糖、HRP、过氧化氢、葡萄糖、多巴胺、 抗坏血酸等 仪器：CHI832B电化学分析仪 1.将玻碳电极分别用金相砂纸，氧化铝粉末打磨抛光 成镜面之后用二次去离子水冲洗，然后在硝酸，氢氧 化钠溶液丙酮以及去离子水中超声波洗涤5min 2.称取0.1g壳聚糖置于小烧杯中，加入1%的醋酸溶液 10ml搅拌2h，得到粘稠的壳聚糖溶液，取等量的葡 萄糖氧化酶溶液混合，去2微升滴加到玻碳电极上， 自然晾干
葡萄糖传感器的研究
应糖尿病人群数量的飞速增长，对葡萄糖浓度的监控技 术也在飞速的发展；本文试图利用壳聚糖用于基于酶的
葡萄糖生物传感器的4大指标
1.高灵敏度 2.良好的抗干扰能力 3.简单且稳定 4,响应时间短
生物传感器的研发，以期望研究出一种新型葡萄糖生物
传感器。
原理
壳聚糖有很好的生物相容性，对酶有很好的亲和力
壳聚糖和葡萄糖氧化酶固定在电极表面
葡萄糖生物传感器
葡萄糖氧化酶催化溶液中葡萄糖发生氧化反应生成 H2O2；溶液中的辣根过氧化酶催化生成的H2O2 分解成羟基自由基，羟基自由基不可逆的氧化非活 性的壳聚糖生成水和具有电活性的resorufin（7羟基-3H-吩噁-3-嗪酮），resorufin在大约-0.1V 发生一个可逆的电子还原反应从而生成可被检测到 的产物；
H2O2=底物
壳聚糖=催化剂
1.壳聚糖和HRP对H2O2 的电催化性质研究 运用i-t法考察壳聚糖和HRP对H2O2的催 化作用。
在右图中，由于还原峰电流是根据传感器
在不同时间点进行测定，所以出现类似与 波段形状，但总体而言，还原峰电流还是 与H2O2浓度呈现良好的线性关系。
生物传感器的制备及应用
生物传感器的制备及应用[摘要]生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。
因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测,特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点,从最先提出生物传感器的设想至今,其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。
在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。
特别是分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合,正改变着传统医学、环境科学动植物学的面貌。
[关键词]生物传感器应用纳米材料一、生物传感器的原理生物传感器主要是由生物识别和信号分析两部分组成的生物识别部分是由具有分子识别能力的生物敏感识别元件构成,包括细胞、生物素、酶、抗体及核酸等[1]。
信号分析部分通常又叫做换能器,它们的工作原理一般是根据物质电化学、光学、质量、热量、磁性等。
物理化学性质将被分析物与生物识别元件之间反应的信号转变成易检测、量化的另一种信号,比如电信号、焚光信号等,再经过信号读取设备的转换过程,最终得到可以对分析物进行定性或定量检测的数据。
生物传感器识别和检测待测物的一般反应过程为:首先,待测物分子与识别元素接触;然后,识别元素把待测物分子从样品中分离出来;接着,转换器将识别反应相应的信号转换成可分析的化学或物理信号;最后,使用现代分析仪器对输出的信号进行相应的转换,将输出信号转化为可识别的信号。
生物传感器的各个部分包括分析装置、仪器和系统也由此构成。
生物传感器中的识别元素决定了传感器的特异性,是生物定性识别的决定因素;识别元素与待测分子的亲合力,以及换能器和检测仪表的精密度,在很大程度上决定了传感器的灵敏度和响应速度。
二、生物传感器的分类根据所用换能器和监测物理量、化学量和生物量可分为电化学生物传感器[2]、光学生物传感器[3]和压电生物传感器[4]等。
生物传感器的研究进展综述
生物传感器的研究进展综述一、本文概述生物传感器作为一种集成了生物识别元件和信号转换器的设备，其在生物、医学、环境、食品安全等领域的应用日益广泛。
本文旨在综述生物传感器的研究进展，包括其基本原理、分类、应用领域以及存在的挑战和未来的发展趋势。
我们将重点关注近年来在生物传感器领域的创新技术和研究成果，以期为读者提供一个全面而深入的理解。
我们将简要介绍生物传感器的基本原理，包括其工作机制和主要构成部分。
接着，我们将根据生物识别元件的不同，对生物传感器进行分类，并详细讨论各类生物传感器的特点和应用领域。
在此基础上，我们将重点分析近年来在生物传感器研究方面的主要进展，包括新材料、新技术和新方法的开发和应用。
我们还将探讨生物传感器在实际应用中所面临的挑战，如灵敏度、特异性、稳定性和寿命等问题，并就此提出可能的解决方案。
我们将展望生物传感器未来的发展趋势，预测其在未来可能的应用领域和发展方向。
通过本文的综述，我们希望能够为研究者提供一个关于生物传感器研究进展的全面视角，为其未来的研究和开发提供有益的参考。
二、生物传感器的基本原理与技术生物传感器是一种利用生物分子识别元件与物理或化学换能器相结合，对生物物质进行高选择性、高灵敏度检测的新型分析装置。
其基本原理是将生物分子识别过程（如酶促反应、抗原抗体反应、核酸杂交等）与信号转换器（如电化学电极、光学器件、压电晶体等）相结合，通过生物识别元件与待测物之间的特异性相互作用，将生物化学反应产生的信息转化为可检测的电信号、光信号或其他形式的信号，从而实现对待测物的定性或定量分析。
生物传感器的核心技术包括生物识别元件的制备与固定化技术、信号转换与处理技术，以及传感器的微型化与集成化技术。
生物识别元件的制备是实现生物传感器特异性与灵敏度的关键，常见的生物识别元件包括酶、抗体、核酸适配体、细胞和组织等。
信号转换与处理技术是生物传感器将生物识别信号转化为可测量电信号的核心，常见的信号转换方式有电化学转换、光学转换、热学转换等。
生物传感器的原理和应用
知抗体的附量。
免疫传感器的结构
3室注入含 有抗体的 盐水
抗体与固 定化抗原 膜上的抗 原相结合
膜表面吸 附抗体
膜带电状 态变化 1、2室 内的电极 产生电位 差
微生物电极传感器
• 将微生物(常用的主要是细菌和酵母菌)作为敏感 材料固定在电极表面构成的电化学生物传感器称 为微生物电极传感器。 • 其工作原理大致可分为三种类型:
热生物传感器
酶传感器
酶传感器的类型
热 光 测 定 物 质 热敏电阻传感器 光纤传感器
H正离子 透气膜 氧气 过氧化氢 氨气 二氧化碳 酶膜
电位（电极） 电流（场效应管）
铂阴电极 铂阳电极
电流测量 电极 电位测量
氢正离子敏感膜
应用举例：葡萄糖传感器
工作原理
葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）
葡萄糖+H2O＋Ｏ２――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２
杂交检测技术 • 电化学检测DNA 可以分为直接检测和间接检测。 • 直接检测的依据在于DNA 与某些电极表面的直接电子转移 是可能的,而且DNA 的一些组分包括碱基和核糖在一定电 势窗口下也是有电化学活性的。 • 间接检测则是通过一些氧化还原媒介来实现电子传递,借 助于这些与DNA 选择性结合的有电化学活性的指示剂来进 行杂交检测。
•
生物传感器的分类
• a.根据生物传感器中生物分子识别元件上 的敏感物质可 分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、基因传 感 器、免疫传感器等； • b. 根据生物传感器的信号转化器可分为电化学生物传感 器、半导体生物传感器、热生物传感器、光生物传感器、 压电型生物传感器等。 电化学生物传感器又可分为安培型和电位型两种。
葡萄糖生物传感器研究概况
葡萄糖生物传感器研究概况葡萄糖是动物和植物体内碳水化合物的主要组成部分，因此葡萄糖的定量测定在生物化学、临床化学和食品分析中都占有很重要的位置。
1954年Clark的氧电极分析方法使活体组织氧分压的无损测量成为可能，由此打开了生物传感器这一研究领域。
50多年来各国科研人员对生物传感器的研究和发展使得葡萄糖传感器在食品分析、发酵控制、临床检验等诸多方面得到应用并发挥了重要的作用。
本文对葡萄糖生物传感器的分类、原理及发展概况等作一简要概述。
1.概念生物传感器是用来侦测生体内或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置，Gronow将其定义为“使用固定化的生物分子结合换能器”[1]。
它利用生物化学和电化学反映原理，将生化反应信号转换为电信号，通过对电信号进行放大和转换，进而测量被测物质及其浓度[2]，是一种集现代生物技术与先进的电子技术于一体的高科技产品。
生物传感器可用于探索揭示生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律，探讨应用于人类经济活动的基本方法。
葡萄糖传感器是生物传感器领域研究最多、商品化最早的生物传感器[3]，为葡萄糖氧化酶，GOD）经固化后于氧电极组成成。
这一生物传感器可在非常短的响应时间（glucose oxidase内完成对葡萄糖的测定，其线性范围为0～30mg?dL-1，能稳定使用22d，测定的相对标准偏差小于1.2。
2.分类关于葡萄糖生物传感器的分类，不同的研究方向，有不同的分类方法，主要有以下三种分类。
一是根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件划分为：酶传感器（enzyme sensor），微生）），组织传感器（tis-suesensor物传感器（microbial sensor），细胞传感器（original sensor和免疫传感器（immunolsensor）。
二是根据生物传感器的换能器即信号转换器分类，如：生物电极（bioelectrode）传感器，半），热生物传），光生物传感器（optical biosensor导体生物传感器（semi conduct biosensor）等。
葡萄糖传感器课件
葡萄糖传感器的应用领域
01
02
03
04
医疗领域
用于监测糖尿病患者血糖水平 ，帮助医生制定治疗方案。
食品工业
用于检测食品中葡萄糖含量， 控制食品加工过程和产品质量
。
环境监测
用于检测水体、土壤中葡萄糖 含量，评估环境质量。
其他领域
如生物工程、发酵工程等，可 用于研究生物代谢过程和生物
传感器开发等。
02
清洁传感器
使用前，请用清水清洁传感器表面，确保没有杂质或污垢。
检查电池或电源
确保设备电池或电源充足，以保证测量过程的准确性。
使用步骤
开启设备
插入传感器
打开您的设备，进入相应的葡萄糖测量模 式。
将葡萄糖传感器插入设备的对应插槽，确 保紧密连接。
等待校准
开始测量
设备会自动进行校准，等待校准完成后再 进行测量。
稳定性问题
长时间使用后，葡萄糖传感器 的性能可能会发生变化，需要 定期校准。
成本高
目前葡萄糖传感器的制造成本 较高，限制了其广泛应用。
个体差异
不同个体对葡萄糖的吸收和代 谢存在差异，可能导致传感器
读数存在误差。
改进方向
提高准确性
通过改进传感器技术和生物兼容性， 提高葡萄糖传感器的准确性。
增强稳定性
时监测提供了可能。
高灵敏度
现代葡萄糖传感器具有 很高的灵敏度，可以检 测到低浓度的葡萄糖。
便携性
随着技术的发展，葡萄 糖传感器越来越小型化
，方便携带。
无创检测
与传统的采血检测相比 ，葡萄糖传感器无创、 无痛，减轻了患者的痛
苦。
缺点
准确性问题
由于传感器技术、生物兼容性 等因素，葡萄糖传感器的准确
壁碳纳米管修饰的葡萄糖生物传感器
２结果与讨论
２．１
不同修饰电极的传感器对葡萄糖的晌应 葡萄糖酶传感器的检测机理是葡萄糖在葡萄糖酶催化作用下生成葡萄糖酸和Ｈ。０２，通过检测Ｈ。０：
还原电流米达到测定葡萄糖浓度的目的．我们分别制作了ＭＷＮＴｓ—ＣＨＩ，ｒ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（１）、Ｆｅ。０４～ ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（２）和ＭＷＮＴｓ—Ｆｅ。０４一ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（３）三支不同电极．在２５℃条件下，分别 将三种电极放人葡萄糖含量为１×１０～ｍｏｌ／Ｉ。的磷酸盐缓冲液（ｐＨ＝６．８）中进行扫描，得到的循环伏安 图（见图１）．由图ｌ可见，ＭＷＮＴｓ—Ｆｅ。Ｏ。一ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（３）较Ｆｅ。Ｏ。一ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（２）和 ＭＷＮＴｓ—ＣＨｌＴ—ＧＯＤ／ＧＣＥ（１）氧化还原峰电流有所提高．这主要是因为磁性纳米Ｆｅ。Ｏ。颗粒能够在 葡萄糖氧化酶的氧化还原中心和玻碳电极之间有效地传输电子，增强了酶促反应．同时，多壁碳纳米管的 引入增强了电子传递速率和酶的同定量，从而提高了电极的催化能力． ２．２扫描速度对传感器响应电流的影响 在２５℃条件下，将ＭＷＮＴｓ－－Ｆｅ。ｑ－－ＣＨＩＴ—ＧＯＤ／ＧＣ修饰电极置于葡萄糖含量为１×１０一ｍｏｌ／Ｉ。 的ＰＢＳ（ｐＨ＝６．８）溶液中，以不同扫速（Ｏ～２５０ ｍｙ／ｓ）测定，得到循环伏安图（见图２）．实验结果显示，随 着扫速的增加，氧化还原峰电流随之增大，并且均与扫描速度的平方根呈线性关系，这表明氧化还原峰电 流受扩散控制．当扫描速度达剑２５０ ｍｖ时，得到较为对称的循环伏安图，说明玻碳电极能够与固定其表面 的物质进行快速的电子交换．
［８］王存嫦。ｍ明辉．鲁亚霜．等．基于碳纳米管和铁氰酸镍纳米颗粒协同作用的葡萄糖生物传感器［Ｊ］．化学学报。２００６．
葡萄糖生物传感器的制备和应用
葡萄糖生物传感器的制备和应用一、实验目的学习和掌握国内外数据库查询综合运用的方法。
二、实验方法原理由于葡萄糖测定在医疗诊断、发酵工业中占有相当重要地位, 如何快速准确地测定这一问题一直是重要的研究课题，所以葡萄糖传感器是生物传感器领域研究最多、商品化最早的生物传感器。
通过图书馆馆藏数据库，掌握国内外数据库查询综合运用方法，查找与本实验相关的资料信息，初步了解生物传感器的原理，应用以及发展。
找出自己感兴趣的葡萄糖生物传感器的制备方法，设计实验方案。
三、实验步骤1、进入华南农业大学图书馆主页，点击网络数据库，如CNKI期刊、博士、硕士论文全文库等，进入检索界面。
2、分析实验题目，确定检索主题词，编写检索式。
3、查询生物传感器的原理，应用及发展。
4、查询葡萄糖生物传感器设计原理、制作步骤、性能测试指标。
5、以一种感兴趣的方法设计实验方案，写出能进行实验的报告。
四、结果处理1、生物传感器的原理：(1)生物功能物质的分子识别：生物传感器的原理以生物功能物质的分子识别为基础。
例如，酶是一种高效生物催化剂，其比一般催化剂高106～1010倍，且一般都在常温常压下进行。
此外，酶还具有高度的专一性(它只对特定物质进行选择性催化)。
酶催化反应可表示为：酶+底物酶·底物中间复合物—→产物+酶形成中间复合物是其专一性与高效率的原因所在。
由于酶分子具有一定的空间构型，只有当作用物的结构与酶的一定部位上的构型互相吻合时，它才能与酶结合进而受酶的催化。
酶的分子空间构型是它进行分子识别的基础。
图1表示酶的分子识别功能。
抗体的分子识别功能与酶类似。
细胞器、微生物及动物组织等是分子集合体，结构比较复杂，其识别功能亦复杂。
图1 酶的分子识别功能(2)生物传感器工作原理：按照受体学说，细胞的识别作用是由于嵌合于细胞膜表面的受体与外界的配位体发生了共价结合，通过细胞膜通透性的改变，诱发了一系列电化学过程。
膜反应所产生的变化再分别通过电极、半图2 生物传感器原理导体器件、热敏电阻、光电二极管或声波检测器等转换成电信号，如图2所示。
生物传感器技术
生物传感器技术生物传感器技术近年来在生物医学、环境监测、食品安全等领域得到广泛应用。
它具有快速、高灵敏度、高选择性、便携性等优点，可以对生物分子进行检测和分析。
本文将介绍生物传感器技术的原理、分类、应用以及未来发展趋势。
一、生物传感器技术的原理生物传感器技术是基于生体过程或生物材料与物理信号或化学信号的相互作用实现的一种检测技术。
其原理主要包括生物识别元件（如抗体、酶、核酸等）与物理或化学传感元件（如电极、有机分子等）之间的作用。
通过生物识别元件与待测物质之间的特异性反应，产生信号变化，进而被物理或化学传感元件检测到并转化为可量化的电信号。
二、生物传感器技术的分类根据生物识别元件的类型，生物传感器技术可分为抗体传感器、酶传感器、核酸传感器、细胞传感器等。
抗体传感器利用抗体与特定抗原结合发生免疫反应，实现对抗原的检测和分析。
酶传感器则是利用酶与底物之间的特异性反应来检测和分析底物的存在和浓度。
核酸传感器通过测定DNA或RNA的序列或特定结构来实现对目标核酸的检测。
细胞传感器则基于细胞活性和代谢产物的变化来检测和分析生物分子。
三、生物传感器技术的应用生物传感器技术在医学领域具有广泛的应用价值。
例如，血糖传感器可以通过检测血液中的葡萄糖浓度，实现对糖尿病患者血糖水平的监测和调控。
DNA传感器可以帮助人们进行遗传病的早期诊断。
此外，生物传感器技术还可以应用于环境监测领域，如检测环境中的有害物质浓度和种类，以及水质、空气质量等的监测。
在食品安全方面，生物传感器可以大大提高食品中有害物质如农药残留、重金属等的检测灵敏度和准确性。
四、生物传感器技术的未来发展趋势随着生物传感器技术的不断发展，人们对其性能和应用的要求也越来越高。
未来，生物传感器技术可能出现以下发展趋势：首先，生物传感器的灵敏度将得到进一步提高，可以检测到更低浓度的物质。
其次，传感器将变得更加小型化和便携化，方便实时检测和现场应用。
此外，多功能和多参数传感器的研究和应用也将成为发展的趋势，实现复合分析和全面监测。
生物传感器技术的发展与应用(论文)
生物传感器技术的发展与应用摘要生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。
是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。
生物传感器具有接受器与转换器的功能。
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
1.1 生物传感器概述生物传感器是一个非常活跃的研究和工程技术领域，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。
它们的共同特征是：探索和揭示出生命系统中信息的产生、存储、传输、加工、转换和控制等基本规律,探讨应用于人类经济活动的基本方法。
生物传感器技术的研究重点是：广泛地应用各种生物活性材料与传感器结合，研究和开发具有识别功能的换能器，并成为制造新型的分析仪器和分析方法的原创技术，研究和开发它们的应用。
生物传感器中应用的生物活性材料对象范围包括生物大分子、细胞、细胞器、组织、器官等，以及人工合成的分子印迹聚合物(molecularly imprinied polymer，MIP)。
由于研究DNA分子或蛋白质分子的识别技术已形成生物芯片（DNA芯片、蛋白质芯片）独立学科领域，本文对这些领域将不进行讨论。
生物传感器研究起源于20世纪的60年代，1967年Updike和Hicks把葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜和氧电极组装在一起，首先制成了第一种生物传感器，即葡萄糖酶电极。
新型功能纳米材料在电化学生物传感器中的研究与应用
新型功能纳米材料在电化学生物传感器中的研究与应用一、内容简述随着科技的不断进步，纳米技术作为其中的重要组成部分，在众多科学领域中都显示出了其独特的优势和潜力。
特别是功能纳米材料，在电化学生物传感领域中，由于其独特的物理化学性质和巨大的比表面积，为生物传感提供了新的发展方向和可能性。
功能纳米材料在电化学生物传感器中的应用，主要得益于纳米材料的独特结构和优异性能。
纳米颗粒具有很高的比表面积和活性位点数量，可以增强生物分子的吸附和反应；纳米结构具有优良的电导性和优异的渗透性，有助于提高传感器的灵敏度和稳定性。
在电化学生物传感器的研究与应用中，研究者们通过深入探索纳米材料的合成方法、表面修饰技术以及与生物分子的结合方式等，成功开发出了一系列具有高灵敏度、高选择性、实时监测和高稳定性等优点的新型电化学生物传感器。
这些成果为疾病诊断、环境监测和生物医学研究等领域提供了强有力的技术支持和保障。
目前对于功能纳米材料在电化学生物传感器中的应用仍存在一些挑战和问题，如纳米材料的生物相容性、稳定性和规模化生产等问题需要进一步研究和解决。
未来的研究将致力于开发新型的功能纳米材料，优化传感器的制备工艺，并探索其在实际应用中的推广价值，以推动电化学生物传感技术的更快发展和广泛应用。
1. 纳米材料的概念及重要性随着科学技术的不断发展，人们对于材料的性能要求越来越高。
在这个背景下，纳米材料作为一种独具优势和特色的材料，备受关注。
纳米材料是指具有尺寸在1100nm范围内的材料，由于其特殊的量子尺寸效应、表面等离子共振效应以及宏观量子隧道效应等，使得纳米材料在各个领域展现出许多优异的性能，成为推动科学和技术创新的关键因素。
在电化学生物传感器中，纳米材料的独特性质对提高传感器的灵敏度、稳定性、选择性和恢复性等方面具有重要作用。
本文将对纳米材料的概念及重要性进行简要介绍，并探讨其在电化学生物传感器中的应用及研究进展。
纳米材料具有量子尺寸效应，使其能够有效调控物质的电子结构和表面性质。
葡萄糖传感器及其制备方法、应用[发明专利]
![葡萄糖传感器及其制备方法、应用[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/3d7d9830a31614791711cc7931b765ce05087a34.png)
专利名称：葡萄糖传感器及其制备方法、应用专利类型：发明专利
发明人：高志强
申请号：CN202210262656.5
申请日：20220317
公开号：CN114609213A
公开日：
20220610
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了葡萄糖生物传感器及其制备方法、应用，葡萄糖传感器的制备方法包括如下步骤：A）、三嵌段聚合物的制备：B）、三嵌段聚合物的涂布。
本发明使用含有生物相容性基团的三嵌段聚合物制备出选择性滲透膜，具有非常小的温度系数，将其应用于动态血糖仪上，可以有效且精确地对葡萄糖进行调控，并利用葡萄糖传感器的阻抗进行原位温度校正。
申请人：苏州中星医疗技术有限公司
地址：215000 江苏省苏州市高新区富春江路188号2号楼502室
国籍：CN
代理机构：苏州创元专利商标事务所有限公司
代理人：范晴
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葡萄糖电化学传感器的研究进展
葡萄糖电化学传感器的研究进展葡萄糖电化学传感器的研究进展李传平200941601040（青岛大学化学化工与环境学院山东266071）摘要葡萄糖电化学传感器是生物传感器的一种，是一门由生物、化学、医学、电子技术等多个学科互相渗透建立起来的高新电化学技术, 它是一种将葡萄糖类酶的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置。
其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测的特点, 已在生物、医学、医药、及军事医学等领域显示出广阔的应用前景, 引起了世界各国的极大关注。
【1】关键词葡萄糖电化学传感器组成特点研究进展应用研究生物传感器是一类特殊的化学传感器, 它是以葡萄糖酶作为生物敏感基元, 对被测目标具有高度选择性的检测器。
它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来, 从而得出被测物的浓度。
【1】1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个葡萄糖传感器。
将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。
当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。
经过40多年的不断发展，当今的葡萄糖电化学传感器技术除了临床葡萄糖分析,葡萄糖检测装置也应用于生物技术和食品工业。
这种广泛的应用领域大大促进了葡萄糖电化学传感器的发展和多样化。
[2]1 葡萄糖电化学生物传感器的基本组成、工作原理、特点葡萄糖电化学生物传感器一般有两个主要组成部分: 其一是生物分子识别元件( 感受器) , 是具有分子识别能力的葡萄糖酶类; 其二是信号转换器( 换能器) , 主要有电化学电极( 如电位、电流的测量) 、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等。
当待测物与分子识别元件特异性结合后, 所产生的复合物( 或光、热等) 通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等, 从而达到分析检测的目的。
电化学血糖传感器原理及发展
电化学血糖传感器原理及发展前言葡萄糖是一种在全世界范围内被分析测试最频繁的物质之一。
电化学法血糖检测系统已经成功开发了3O余年，目前全世界每年约消耗60亿片电化学血糖测试试纸，是糖尿病人实施血糖自我检测、有效控制病情的重要手段。
血糖试纸实质是在一些塑料基片上印刷了导电碳墨和银墨后再复合印刷含酶涂层的生物电化学酶传感器。
我国现有糖尿病人4000万，每年还以1．5％的速度在增加，对葡萄糖分析检测的研究也曰渐增多，因此，近年来有关葡萄糖氧化酶电极的研究论文每年都有上千篇，国内也有上百家研究单位、lO多家企业在从事血糖仪和血糖试纸的研发和生产。
1 电化学葡萄糖传感器的研究基础电化学酶法测定葡萄糖可追溯到上世纪的30年代末，当时通过测定铂金电极上过氧化氢的氧化分解而产生的电流变化测算出溶液中因氧的消耗导致的氧分压下降值，进而测得葡萄糖的浓度。
其反应过程如下：葡萄糖+FAD–葡萄糖氧化酶→葡萄糖酸内酯+FADH2–葡萄糖氧化酶①FADH2–葡萄糖氧化酶+02→FAD–葡萄糖氧化酶+H2O2②H202→2H++O2+2e-③25年后，美国的Updike和Hicks成功简化了葡萄糖的电化学测定方法，他们将葡萄糖氧化酶固定在某种胶体基质中实现了酶的固定和稳定化，使葡萄糖氧化酶催化剂可以被反复使用。
此后他们将固定后的葡萄糖氧化酶制成膜片同Clark极谱式氧电极结合，制成了世界上第一个酶电极。
2 导电介质葡萄糖酶传感器的发展随着葡萄糖电化学分析系统的成功商业化，1970年Williams等试图采用分子导电介质取代氧分子进行氧化还原电子传递的尝试。
他们使用铁氰化钾－亚铁氰化钾导电介质系统成功实施了血液葡萄糖的电化学测定，同时还用同一电化学系统测定了血乳酸。
尽管日后这一开创性的电化学测试原理被广泛使用在公司血糖仪的开发和生产实践中，但遗憾的是当时并未被直接应用于家用血糖仪测试系统的商业化开发。
世界上第一个便携式家用电化学血糖测试系统是1987年由美国Medisense 公司推出的ExacTech，该系统采用二茂铁及其衍生物作为氧化还原导电介质，通过丝网印刷导电碳墨在PVC塑料基片上，制成外观尺寸如同pH试纸大小的血糖试纸，可以大规模制作生产。
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新型葡萄糖生物传感器的构筑、机理及应用研究【摘要】：葡萄糖是动植物体内碳水化合物的主要组成部分,葡萄糖的定量测定在临床化学、生物化学和食品分析中都占有很重要的地位,葡萄糖的分析与检测方法一直是研究的热点之一。
随着人们生活水平的提高和老年人口的增加,糖尿病发病率呈上升趋势,已成为仅次于心血管病和癌症的第三大危险疾病,其诊断和治疗已成为了医学界面临的重大课题。
因此,快速、准确、方便地检测血糖含量,从而有效地对糖尿病进行监测和治疗变得越来越重要。
之前,人们已经为葡萄糖的检测做出了很多重要的研究。
在已有检测方法中,生物传感器由于具有灵敏度高、重现性好、操作简便等优点,在各种检测方法中扮演着重要的角色。
它的工作原理是基于对固定在特定载体上的葡萄糖氧化酶(GOx)催化氧化葡萄糖时产生的过氧化氢电流的检测。
因此,葡萄糖氧化酶的固定化是传感器制备过程中最关键的步骤之一纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于1-100纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。
纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,并由此产生出许多特殊性质。
由于纳米材料特有的光、电、磁、催化等性能,引起了凝聚态物理界、化学界及材料科学界的科学工作者的极大关注。
因此,纳米材料在太阳能电池、催化、电子信息技术及传感器材料等方面有着深入的研究和广阔的应用前景,其中传感器是纳米材料可能利用的最有前途的领域之一。
纳米材料奇异的特性,使得生物传感器的灵敏度、检测限和响应范围等性能指标得到了很大的提升。
纳米材料为生物传感器的发展带来了新的契机,创造了更为广阔的空间。
本论文通过链接反应(ClickReaction)、聚酰胺胺(PAMAM)和聚多巴胺膜对葡萄糖氧化酶进行固定化,并利用水热法合成了树叶状CuO纳米材料、ZnO/Au复合纳米材料和纳米WO3,并将其应用于葡萄糖生物传感器的研究与应用。
通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射光谱、电子衍射光谱和紫外可见分光光度法对合成的纳米材料形貌和组成进行表征,利用循环伏安法、交流阻抗、安培检测法等对葡萄糖的含量进行了检测和分析。
在本论文中,葡萄糖生物传感器的稳定性,酶的活性都得到了很大提高,对葡萄糖的检测也实现了高灵敏度和低检测限。
基于酶与电极间直接电子传递的电流型生物传感器能够简单直接地获取信号,本论文对GOx与纳米材料间的直接电子传递行为进行了考察,探讨了纳米材料对GOx直接电子传递行为的影响,并对葡萄糖氧化酶/纳米WO3修饰的玻碳电极(GCE/WO3/GOx/Nafion)检测葡萄糖的机理进行了讨论。
在此研究的基础上研制和开发了无创血糖仪。
本论文共分为八章：第一章绪论本章内容主要包括葡萄糖检测技术的现状、葡萄糖生物传感器的发展、酶固定化技术的研究、纳米材料的制备及其在葡萄糖生物传感器的应用与发展。
文中简单介绍了葡萄糖检测方法的研究与进展；葡萄糖生物传感器的分类和发展；酶固定化技术的最新研究成果,重点描述酶固定化可以解决的一些问题；纳米材料的分类、性能和制备,着重阐述了纳米材料的水热合成及其应用。
第二章基于链接反应固定的葡萄糖氧化酶及其应用于葡萄糖生物传感器的研究本章利用链接反应(ClickReaction)将功能化的葡萄糖氧化酶(GOx)固定于金纳米粒子(AuNPs)表面,并将其应用于葡萄糖的检测研究。
Cu(Ⅰ)催化叠氮化合物与末端炔基形成碳亚二胺,该反应条件温和、选择性强。
实验表明,AuNPs具有良好的生物兼容性,能够有效地促进电子传递,修饰了AuNPs的酶传感器,响应速度快(0.5s),线性范围宽(5μM-1.82mM,R2=0.9990),最低检测限低(0.5μM,S/N=3),稳定性好；链接反应固定的GOx有良好的酶动力学响应,其表观米氏常数(KMapp)为4.0mM。
第三章超声条件下合成的PAMAM-Au复合纳米材料及其应用于葡萄糖生物传感器的研究本章在超声辐射条件下合成了第四代的聚酰胺胺(G4,PAMAM)/金纳米粒子(AuNPs)复合纳米材料,并将其应用于葡萄糖生物传感器的修饰。
实验结果表明,PAMAM/AuNPs 修饰的葡萄糖传感器对葡萄糖的检测具有良好的电流响应,灵敏度高(2.9mA/mM/cm2),响应时间短(小于5s),线性范围为0.1-15.8μM(R2=0.9988),最低检测限为0.05μM(S/N=3),与链接反应固定的葡萄糖生物传感器相比具有更高的灵敏度及更低的检测限。
固定在传感器上的葡萄糖氧化酶(GOx)具有良好的酶动力学响应,其表观米氏常数(KMapp)为2.7mM。
该传感器的高灵敏度,良好的重现性及稳定性使得该方法有着很好的应用前景。
第四章仿生聚多巴胺-金纳米粒子复合膜修饰的葡萄糖生物传感器的研究本章利用仿生聚多巴胺膜并结合金纳米粒子构建了一种反应条件温和、储存时间长、稳定性好的葡萄糖生物传感器。
由于仿生聚多巴胺膜对基底电极的惊人结合力及其良好的生物亲和性与电活性,并结合金纳米粒子的“电子通道”作用,不仅实现了葡萄糖氧化酶分子在电极表面的大量而高活性的固定化,而且能促进电子在酶活性中心和电极表面间的快速传递。
结果表明,该传感器对葡萄糖的检测灵敏度高、线性范围宽、检测限低(0.1μM)；固定在传感器上的葡萄糖氧化酶具有良好的酶动力学响应,其表观米氏常数(KMapp)为1.5mM。
第五章树叶状CuO纳米材料修饰电极对葡萄糖的快速安培检测本章制备了一种基于树叶状CuO修饰的电化学生物传感器用以快速检测葡萄糖。
这种由水热法单步合成的树叶状CuO纳米颗粒,用X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行表征以研究其形貌和尺寸。
在最优化实验条件下,树叶状CuO修饰的葡萄糖生物传感器对葡萄糖的检测具有宽的线性范围(1.0-170μM)、短的检测时间(5s)、良好的稳定性(3个月后仍保持90%的活性)、低的检测限(0.91μM)和高的灵敏度(246μA/mM/cm2)。
该方法的特点是传感器制备方法简单,在葡萄糖的临床检测方面有着广阔的应用前景。
第六章ZnO/Au复合材料的合成、性能表征及其应用于葡萄糖的检测研究本章采用水热合成的方法制备了氧化锌纳米棒,结合金纳米粒子合成了氧化锌／金(ZnO/Au)复合材料,并将其应用于葡萄糖的检测研究。
通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)和X射线衍射(XRD)对合成的ZnO/Au复合材料的形貌和组成进行表征。
研究结果表明,ZnO/Au修饰的葡萄糖生物传感器(GCE/ZnO/Au/GOx/Nafion)对葡萄糖的检测显示出良好的电化学性能,具有线性范围宽(0.1-33.0μ.M,R2=0.9924),响应时间短(小于5s)和最低检测限低(10nM)。
该方法的特点是灵敏度高和检测限低。
第七章GCE/WO3/GOx/Nafion电极对葡萄糖的电催化反应本章采用水热合成的方法制备了WO3纳米材料,通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)和X射线衍射(XRD)对合成的纳米W03的形貌和组成进行表征。
并将其应用于GOx固定和对葡萄糖的电化学检测。
研究结果表明,吸附在WO3表面的GOx能进行可逆的直接电化学反应,其速率常数是3.6s-1,表明W03是GOx 电化学反应的促进剂。
吸附在WO3表面的GOx能保持对葡萄糖氧化的生物电催化活性。
而且电极对葡萄糖的检测显示出良好的电化学性能,具有灵敏度高,稳定性好,抗干扰能力强等优点。
第八章无创血糖仪的研制与开发本章根据电化学原理及葡萄糖的性质,结合复合纳米材料的特殊性能,研制开发了基于电化学传感器的无创血糖分析仪。
该仪器小型化设计、携带方便、可以做到无创检测血糖。
【关键词】：葡萄糖氧化酶葡萄糖检测纳米材料生物传感器电化学分析无创血糖仪【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：TP212.3【目录】：摘要6-10ABSTRACT10-20第一章绪论20-50第一节葡萄糖检测方法的研究与进展21-231.1色谱法211.2光谱法21-221.3生物传感器法22-23第二节葡萄糖生物传感器研究进展23-292.1经典葡萄糖酶电极23-242.2介体葡萄糖酶电极24-252.3直接葡萄糖酶电极25-262.4其他葡萄糖传感器26-29第三节酶固定化技术的研究与发展29-353.1提高酶稳定性29-313.2提高酶的活性31-333.3改善酶的立体选择性33-35第四节纳米材料及其应用于葡萄糖生物传感器的研究与进展35-424.1纳米材料概述35-364.2纳米材料的合成及制备364.3纳米材料的水热合成及其应用36-394.4水热合成的衍生方法39-404.5纳米材料应用于葡萄糖生物传感器的研究与进展40-42第五节本论文的工作及意义42-44参考文献44-50第二章基于链接反应固定的葡萄糖氧化酶及其应用于葡萄糖生物传感器的研究50-621.前言50-512.实验部分51-543.结果与讨论54-583.1金纳米粒子的表征543.2生物传感器的电化学表征54-553.3酶活的检测55-563.4工作条件的优化56-573.5葡萄糖的电化学检测57-583.6实际样品的测量583.7选择性和重现性584.结论58-60参考文献60-62第三章超声条件下合成的PAMAM-Au复合纳米材料及其应用于葡萄糖生物传感器的研究62-721.前言62-632.实验部分63-653.结果与讨论65-693.1PAMAM-Au 的表征65-663.2Nafion/GOD/PAMAM-Au/MWCNTs/GCE传感器应用于葡萄糖的检测研究66-673.3实际样品的测量67-683.4选择性和稳定性68-694.结论69-70参考文献70-72第四章仿生聚多巴胺-金纳米粒子复合膜修饰的葡萄糖生物传感器的研究72-851.前言72-732.实验部分73-743.结果与讨论74-823.1金纳米粒子和聚多巴胺/纳米金的表征74-773.2实验条件的优化77-783.3葡萄糖的电化学检测78-793.4不同酶传感器的传感器性能的比较79-803.5实际样品的测量80-813.6选择性和重现性81-824.结论82-83参考文献83-85第五章树叶状CuO 纳米材料修饰电极对葡萄糖的快速安培检测85-971.前言85-862.实验部分86-873.结果与讨论87-943.1树叶状CuO纳米材料的表征87-893.2实验条件的优化89-903.3GCE/CuO/GOx/Nafion生物传感器的安培响应90-933.4稳定性和重现性933.5实际样品的检测93-944.结论94-95参考文献95-97第六章ZnO/Au复合材料的合成、性能表征及其应用于葡萄糖的检测研究97-1081.前言97-982.实验部分98-1003.结果与讨论100-1053.1ZnO/Au的形貌和结构表征100-1013.2ZnO/Au修饰电极的电化学表征101-1023.3GCE/ZnO/Au/GOx/Nafion电极应用于葡萄糖的检测研究102-1033.4实际样品的测量103-1043.5抗干扰试验104-1053.6稳定性1054.结论105-106参考文献106-108第七章葡萄糖氧化酶在纳米WO_3修饰电极上的直接电化学及其应用108-1211.前言108-1092.实验部分109-1103.结果与讨论110-1183.1WO_3的形貌和结构表征110-1123.2电化学表征112-1143.3GOx的直接电化学反应114-1173.4GCE/WO_3/GOx/Nafion电极对葡萄糖的电催化氧化117-1184.结论118-119参考文献119-121第八章无创血糖仪的研制与构想121-1261.前言1212.无创血糖仪的研制121-1252.1葡萄糖生物传感器的研究121-1232.2实验原理及方法123-1242.3无创血糖检测流。