本发明专利技术提供一种基于直接电子转移型的第三代葡萄糖生物传感器，该葡萄糖生物传感器包括信号转换元件和葡萄糖分子特异识别元件两部分，信号转换元件为含有伯胺基团或能修饰上伯胺基团的电极，用于将葡萄糖氧化的化学信息转换成电子信号，葡萄糖分子特异识别元件为葡萄糖氧化酶，通过共价键直接固定在信号转换元件表面，用于葡萄糖含量的选择性检测。葡萄糖生物传感器在葡萄糖氧化酶活性中心自身的氧化还原电位下(‐0.4V vs.Ag/AgCl)，选择性检测生物样品中的葡萄糖，通过葡萄糖加入前后响应电流的变化对葡萄糖浓度进行定量，实现葡萄糖氧化酶的活性中心与电极之间的直接电子传递，解决在复杂体系中选择性葡萄糖检测的难题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学生物传感器的制备和应用领域，具体涉及一种葡萄糖生物传感器，特别是涉及一种直接电子传递型的葡萄糖生物传感器的制备方法及其应用。
技术介绍
葡萄糖检测对于食品和药品分析、疾病治疗、医疗诊断等方面具有十分重要的实际意义。尤其在糖尿病患者的临床医学方面，葡萄糖检测更是必需的常规分析。目前葡萄糖的检测方法包括表面等离子体共振生物传感、近红外光学传感、电容检测、电化学发光检测、荧光检测、比色法和电化学传感器等。电化学传感器由于具有灵敏度高、易于微型化、操作简单以及设备成本低等优点是这些方法中最受欢迎的葡萄糖检测方法。电化学葡萄糖传感器通常使用氧化酶或脱氢酶。虽然纳米材料也可用于葡萄糖检测，并且无需使用生物酶，但是基于纳米材料的无酶型葡萄糖检测通常需要在碱性环境下检测，并且需要很高的过电位，因此不适宜生物样品(如血液、体液)的检测。使用氧化还原酶或脱氢酶的酶型葡萄糖生物传感器通常在中性条件下检测，无疑是生物样品检测的首选。基于脱氢酶的葡萄糖传感器通过检测酶促辅酶生成的的氧化电流来检测葡萄糖，需要添加辅酶，检测体系复杂，因此无需辅酶的基于葡萄糖氧化酶的葡萄糖生物传感器更有利于商品化和实用化。根据酶与电极之间电子转移机理可将葡萄糖生物传感器分为三种类型：1)用酶的天然电子传递体—O2为中继体沟通酶的活性中心与电极之间的电子传递，直接检测O2的还原电流或产物H2O2的氧化电流来检测葡萄糖的浓度变化，即第一代葡萄糖生物传感器，此类葡萄糖生物传感器无论是通过O2的消耗还是H2O2的氧化来检测都需要高过电位，因此选择性差、干扰多、且易受环境中氧分压波动和氧气溶解度限制的影响以及生物体内生H2O2的影响而难以进行活体分析，同时响应时间较长，而且其灵敏度也不太高，因此限制了葡萄糖传感器的实际应用；2)用小分子的电子转移媒介体为中继体沟通酶的活性中心与电极之间的电子传递，通过检测媒介体的电流变化来检测葡萄糖的浓度，即第二代葡萄糖生物传感器，此类葡萄糖生物传感器由于电子转移媒介体的使用可以降低过电位，因而干扰减少，是目前广泛使用的类型，但是需要将媒介体固定在生物敏感膜内，构筑繁琐，并且依然存在抗坏血酸、多巴胺等电活性生理分子的干扰，不适用于体液等生物样品的检测；3)酶的活性中心与电极之间直接电子传递，即第三代葡萄糖生物传感器，这种酶与电极之间的直接电子传递过程更接近生物氧化还原系统的原始模型，酶与氧气、媒介体或其它电子受体无关，无需引入外加试剂，并且固定程序简单、成本低廉、无潜在生理毒性物质，是最理想的生物传感器，有利于商品化和实用化。此外，还可发展和实现基于酶活性中心与导电材料之间的直接电子传递的其它电化学器件，如生物燃料电池、生物反应器和其它生物电化学催化应用。但是由于酶的分子量大，分子结构复杂，酶的活性中心往往深埋在多肽结构内部，使其难于接近电极表面，因此很难实现直接电子传递。迄今为止，真正应用直接电子传递型葡萄糖生物传感器进行的葡萄糖检测还不多。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于直接电子转移型的第三代葡萄糖生物传感器，该传感器基于葡萄糖氧化酶与电极之间的直接电子传递进行电化学传感，实现了葡萄糖氧化酶的活性中心与电极之间的直接电子传递，属于酶直接电化学范畴，解决了在复杂体系中选择性葡萄糖检测的难题。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于直接电子转移的葡萄糖生物传感器，该葡萄糖生物传感器包括信号转换元件和葡萄糖分子特异识别元件两部分。所述的信号转换元件为含有伯胺基团或能修饰上伯胺基团的电极，如玻碳电极、碳纤维等，用于将葡萄糖氧化的化学信息转换成电子信号；所述的葡萄糖分子特异识别元件为葡萄糖氧化酶GOD，用于葡萄糖的特异识别；该葡萄糖分子特异识别元件通过共价键固定在信号转换元件表面，这种修饰了酶大分子的电极即为葡萄糖生物传感器，用于葡萄糖含量的选择性检测；所述葡萄糖生物传感器的最大特点是：葡萄糖氧化酶通过共价键直接修饰到电极表面，无需其他试剂，也无需膜覆盖，是无试剂直接电子传递型葡萄糖生物传感器。一种制备上述葡萄糖生物传感器的方法，包括以下步骤：第一步，制备信号转换元件：以炭质材料电极作为信号转换元件，在胺化剂或氨解剂(如氨基甲酸铵)的溶液中(浓度为0.1M以上)通过电化学方法(如安培法)等使炭质材料电极发生氨基化反应，从而将伯胺基团(活性点)引入电极表面结构，得到氨基化电极表面结构，此氨基化的电极即为信号转换元件。第二步，葡萄糖分子特异识别元件(即葡萄糖氧化酶)的固定：用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC，CAS号：25952-53-8)和N-羟基硫代琥珀酰亚胺钠盐(NHSS，CAS号：106627-54-7)混合水溶液活化新鲜的氨基化的电极表面，红外灯烘干后将葡萄糖氧化酶滴加到活化后的电极表面，使葡萄糖氧化酶的羧基与信号转换元件的氨基进行酰胺偶联，从而将葡萄糖氧化酶通过共价键结合的方式直接固定到信号转换元件的表面，即完成葡萄糖分子特异识别元件的固定。电极表面修饰上酶大分子后即为葡萄糖生物传感器。所述的EDC与NHSS的摩尔比为4。将上述葡萄糖生物传感器应用于葡萄糖选择性检测，葡萄糖生物传感器在葡萄糖氧化酶活性中心自身的氧化还原电位下(-0.4Vvs.Ag/AgCl)，选择性检测生物样品中的葡萄糖，通过葡萄糖加入前后响应电流的变化对葡萄糖浓度进行定量。检测过程为：将葡萄糖传感器用作电化学工作站的工作电极，Pt丝用作辅助电极、Ag/AgCl电极用作参比电极，三电极放置在盛有一定体积磷酸缓冲溶液(中性pH值)的电解池内；当传感器接触到溶液中的葡萄糖后，在葡萄糖氧化酶自身的氧化还原过电位下失去电子发生氧化化学变化，生成葡萄糖酸，葡萄糖氧化酶的活性中心获得电子由氧化态变成还原态，还原态的葡萄糖氧化酶把得到的电子直接传递给电极又变回氧化态，继续催化葡萄糖的氧化，其反应过程如图5所示。通过电子传递将葡萄糖的浓度信息传递给信号转换元件，继而转换成可测量的电流信号，由于葡萄糖氧化酶与电极之间直接进行电子传递，信号响应十分快速；所产生的电流信号与葡萄糖的浓度成正比，通过显示记录装置记录的电流信号变化实现葡萄糖的定量分析。这种直接电子传递型传感仅使葡萄糖在其氧化酶自身的氧化还原过电位下进行氧化产生电子信号，即葡萄糖通过其氧化酶的特异性识别作用被识别，生物样品中普遍存在的电活性生理物质，如抗坏血酸、多巴胺、尿酸等均不能发生氧化还原反应，不会产生干扰电子信号，因此该传感器实现了对葡萄糖的选择性检测，解决了抗坏血酸等电活性生理物质的干扰难题。该传感器可对复杂生物样品如血样、血清、体液等进行葡萄糖的选择性检测，可反复多次及连续在线检测，可应用于临床监测、生物燃料电池等并可进行微型化，可制备各种电活性分子的检测仪以及可植入生物体内，为体内植入设备提供能源。本专利技术的有益效果是：1)利用含有伯胺基团的电极做信号转换元件，以生物酶为生物识别元件，通过酰胺偶联将生物酶与电极共价键合，实现了酶与电极之间的直接电子传递，发展了第三代葡萄糖生物传感器。2)可排除生物样品中共存的抗坏血本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种直接电子传递型的葡萄糖生物传感器，其特征在于，该葡萄糖生物传感器包括信号转换元件(1)和葡萄糖分子特异识别元件(2)；所述的信号转换元件(1)为含有伯胺基团或能修饰上伯胺基团的电极，将葡萄糖氧化的化学信息转换成电子信号；所述的葡萄糖分子特异识别元件(2)为葡萄糖氧化酶，选择性检测葡萄糖含量。
【技术特征摘要】
1.一种直接电子传递型的葡萄糖生物传感器，其特征在于，该葡萄糖生物传
感器包括信号转换元件(1)和葡萄糖分子特异识别元件(2)；所述的信号
转换元件(1)为含有伯胺基团或能修饰上伯胺基团的电极，将葡萄糖氧化
的化学信息转换成电子信号；所述的葡萄糖分子特异识别元件(2)为葡萄
糖氧化酶，选择性检测葡萄糖含量。
2.一种制备权利要求1所述的葡萄糖生物传感器的方法，其特征在于，首先
将电极表面氨化，得到信号转换元件(1)；再用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)
碳酰二亚胺盐酸盐EDC和N-羟基硫代琥珀酰亚胺钠盐NHSS的混合水溶液
活化氨化的电极表面，红外灯烘干后将葡萄糖氧化酶滴加到活化后的电极
表面，葡萄糖氧化酶通过共价键直接固定到信号转换元件(1)的表面，得<...
【专利技术属性】
技术研发人员：王秀云，郭萌萌，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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