基于氧化石墨烯构筑葡萄糖生物传感器的研究

李钊
基于氧化石墨烯构筑葡萄糖生物传感器的研究
基于氧化石墨烯构筑葡萄糖生物传感器的研究
李 钊 指导老师：周喜斌 地理与环境科学学院 环境工程
摘要：本文主要介绍了葡萄糖生物传感器的发展，酶修饰电极的方法和氧化石墨烯构筑的新型葡萄 糖生物传感器三个部分，在前人的工作的基础上，我们进行了第三代葡萄糖生物传感器的实验，利 用新型纳米材料石墨烯的衍生物—氧化石墨烯构筑了灵敏度高，稳定性好的传感器。葡萄糖氧化酶 修饰的玻碳电极通过循环伏安法对进行电化学表征，同时新型葡萄糖生物传感器对不同浓度的葡萄 糖进行了检测。因此，我们得出了基于氧化石墨烯构筑的葡萄糖生物传感器在实际应用上拥有一个 良好地发展前景。
（1） （2） （3）
FADH 2 GOX blueMB FAD GOX colorlessMBH 2 colorlessMBH 2 blueMB+2H 2e（1）反应与第一代相同，GOx 氧化葡萄糖的主要成 分是 FAD （2） 亚甲基蓝 （blueMB） 能够氧化 FADH2， 同时获得氢离子(3)MBH2 在电极的氧化作用下，将电 子传递于电极表面，形成了响应电流。
学
年
论
文
题
目：
基于氧化石墨烯构筑 葡萄糖生物传感器的研究
学 专
院： 业：
地理与环境科学学院 环境工程 2014 年 李 钊 201075050114 周喜斌
毕业年限： 学生姓名： 学 号：
指导教师：
目录
摘要： ........................................................................................................................................ 1 1 引言 ......................................................................................................................................... 1 2 电化学葡萄糖生物传感器 .................................................................................................... 2 2.1 第一代葡萄糖生物传感器 .............................................................................................. 2 2.2 第二代葡萄糖生物传感器 .............................................................................................. 3 2.2.1 电子媒介体 ............................................................................................................... 3 2.3 第三代葡萄糖生物传感器 ............................................................................................. 3 3 葡萄糖氧化酶在电极表面的固定 ........................................................................................ 5 4 基于氧化石墨烯构建葡萄糖生物传感器 ............................................................................ 6 4.1 氧化石墨烯的制备 .......................................................................................................... 6 4.2 玻碳电极的修饰 .............................................................................................................. 7 4.3 葡萄糖生物传感器的构建方法 ...................................................................................... 7 4.4 酶修饰的电极的谱图表征 .............................................................................................. 8 5 葡萄糖生物传感器的应用 .................................................................................................... 9 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 10 参考文献 .................................................................................................................................. 11 致谢 .......................................................................................................................................... 11
关键词：第三代葡萄糖传感；玻碳电极；氧化石墨烯；循环伏安法
Fabrication studies of electrochemical glucose biosensor based on Graphene oxide
Abstract ： We report three sections that the development of electrochemical glucose biosensors,
techniques for enzyme modified electrodes and fabricate a grapheme oxide (GO)-based electrochemical biosensor. With the much related works accumulated, We studied and fabricated the third electrochemical biosensor based grapheme derivative GO materials to achieve excellent conductivity of electrode and stable reduction of sensor. Electrochemical characterization of glucose oxidase（GOx）modified glass carbon electrode is cyclic voltammetry(CV), and fabricated electrochemical glucose biosensor detected gradient concentration glucose. Therefore, we propose electrochemical glucose biosensor based on GO remains very bright and exciting on the electrochemical development and application.
上分解，电子信号传递于电极，产生响应电流。
图1 O2 在电极上的反应
第一代葡萄糖生物传感器的响应电流，是通过氧气的参与，最终由过氧化氢产生电 子而形成，氧气在其中所起到电子受体的作用。所以传感器的电流信号很容易受到溶液 中氧气的含量的影响，所以不是非常稳定的葡萄糖生物传感器。
2
李钊
基于氧化石墨烯构筑葡萄糖生物传感器的研究
2.2 第二代葡萄糖生物传感器 为了改进第一代传感器的缺点，第二代葡萄糖传感器不再利用电子受体的氧，而是 寻找到了电子媒介体。最早的 FADH2-GOx 电子媒介体是亚甲基蓝，它也可以作为电子 受体，将 FADH2-GOx 氧化为 FAD-GOx，然后在电极上失去电子，产生响应电流，传 递信号。 葡萄糖 + 黄色 FAD GOX → 葡萄糖酸内酯 + 无色 FADH 2 GOX
1
李钊
基于氧化石墨烯构筑葡萄糖生物传感器的研究
开发一种便携，灵敏，小型化的葡萄糖传感器已成为人们的需要。 在上世纪初，科学家们就对葡萄糖传感器进行了初步研究，经过了一百年的研究， 葡萄糖传感器已从最初的无酶传感器发展至酶催化氧化传感器[1]。葡萄糖氧化酶修饰电 极传感器相比无酶直接催化传感器，有着灵敏度高，检测限低，成本低等优点。所以， 现在对葡萄糖传感器的研究，主要以葡萄糖氧化酶修饰电极构建的电化学传感器为主。 2 电化学葡萄糖生物传感器 电化学葡萄糖生物传感器是基于葡萄糖氧化酶（GOx）修饰电极，通过电化学方法 构建的检测血液中葡萄糖含量的传感器。葡萄糖生物传感器有三次大的发展，以氧化还 原电子转移机理来分，可分为氧气参与电子转移，电子媒介体，直接电子转移。 2.1 第一代葡萄糖生物传感器 第一代葡萄糖生物传感器是葡萄糖氧化酶（GOx）氧化葡萄糖，在氧气作用下，将 电信号传递给电极，最终产生响应电流。1932 年，Otto Warburg 和 Walter Christian 就开 始对 GOx 对葡萄糖的催化氧化进行了研究[1]，并且得出了 GOx 中起到催化葡萄糖氧化 的是黄素前嘌呤核苷酸（FAD） 。到了 1939 年，科学家们总结了葡萄糖生物传感器的反 应机理[2]。 葡萄糖 + 黄色 FAD GOX → 葡萄糖酸内酯 + 无色 FADH 2 GOX （1） 无色 FADH 2 GOX + O2 黄色 FAD GOX + H 2O2 （2） （3）
根据目前的发展葡萄糖氧化酶在电极上的固定有以下几种方法酶固定吸附法包埋法交联法共价键法方法将gox溶液滴在电极表面溶剂自然挥发后酶在电极表面吸附将gox分子包埋在高分子材料的三维空间网状结构中形成稳定的酶敏感膜采用双功能团试剂在gox分子与电极之间交联形成网状结构进行酶的固定化实际上是一种表面修饰通过共价键将gox分子直接结合到电极表面特点方法简单容易实现可以构造简单酶传感器但是酶在电极上容易脱落包埋的酶不易脱落与泄露而且对酶的活性影响较少可以固定高浓度酶酶与电极之间是交联剂形成共价结合
H 2O2 2 H O2 2e
（1）葡萄糖在黄色 FAD-GOx 的催化下氧化成葡 萄 糖 酸 内 酯 ， 同 时 黄 色 FAD-GOx 被 还 原 为 无 色
F， 与 无 色
FADH2-GOx 反应，产生过氧化氢（3）过氧化氢在电极
Key Word: the third glucose biosensor ; glass carbon electrode; grapheme oxide; cyclic voltammetry
1 引言 近些年来，人们的生活水平不断提高，食物的过多摄入，导致营养过剩，使得发生 糖尿病的几率大大增加，糖尿病从而成为危害人体健康的主要疾病之一。众所周知，造 成糖尿病的主要原因是，人们从食物中大量摄入糖类，血液中的葡萄糖大量超标，久而 久之，糖尿病随之而来。为了更好地控制高血糖和预防糖尿病的发生，对血液中葡萄糖 含量的检测，已成为非常迫切需要解决的问题。以往对血液中葡萄糖的检测，都是通过 医院的大型血液分析仪，这种检测方法往往不能满足每个人每天测量血糖的要求，所以