生物傳感器是一種可以有效地將微觀的生物化學(xué)反應(yīng)信號(hào)以可視化、可量化的形式進(jìn)行輸出的高效生物電子器件,從而為人們的決策提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。生物傳感器具有制備簡(jiǎn)單、特異性強(qiáng)、靈敏性高、響應(yīng)速度快、便攜化且易于集成化等優(yōu)點(diǎn),從而在生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全等方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。一般而言,生物傳感器以生物活性物質(zhì)（如酶、抗體、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等）作為分子識(shí)別基元（MRE）,而MRE在傳感電極表面的有效固定化是生物傳感器構(gòu)筑過(guò)程中的關(guān)鍵。借助于載體材料可以實(shí)現(xiàn)MRE的有效固定,作為生物傳感界面的一部分,載體材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)傳感界面的分子識(shí)別反應(yīng)、識(shí)別信號(hào)的傳輸都有著巨大的影響。其中,聚合物材料不僅可以改善傳感電極的表面性質(zhì)實(shí)現(xiàn)MRE的固定,還可以維持界面微環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定以保持這些識(shí)別基元的生物活性,因此成為MRE在傳感界面固定化的理想載體。然而,以聚合物作為載體材料構(gòu)筑生物傳感界面仍存在著一定缺陷:（1）非共價(jià)鍵固定作用力較弱,識(shí)別基元易于從聚合物基質(zhì)中滲漏,長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差;（2）共價(jià)鍵固定雖能增強(qiáng)MRE與載體的結(jié)合力,其操作過(guò)程復(fù)雜以致MRE的固定效率不高;（3）聚合物與MR... 

【文章來(lái)源】：江南大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

生物傳感器工作原理圖[2]

第一章緒論3等，并且能在復(fù)雜樣品中進(jìn)行檢測(cè)。自1962年Clark和Lyons[3]最先提出了生物傳感器的設(shè)想以來(lái)，電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段（如圖1-3所示）[4]。圖1-3三代電化學(xué)生物傳感器的示意圖[4]Fig.1-3Schematicdiagramofthreegenerationsofelectrochemicalbiosensors.（1）第一代電化學(xué)生物傳感器第一代電化學(xué)傳感器以1962年提出的酶電極設(shè)想為基礎(chǔ)：通過(guò)測(cè)定反應(yīng)體系中一些電活性物質(zhì)的產(chǎn)生或者消耗來(lái)間接確定待測(cè)樣品中目標(biāo)識(shí)別成分的含量。這些傳感器以一些天然底物（如CO2、O2等）作為電子傳遞的媒介體，以實(shí)現(xiàn)酶與電極之間的電子傳輸。1967年，Updike和Hicks[5]在鉑電極上將葡萄糖氧化酶固定于聚丙烯酰胺膜表面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)血清中的葡萄糖含量的定量檢測(cè)，從而開(kāi)啟了第一代生物傳感器發(fā)展的大門(mén)。Karyakin等[6]開(kāi)發(fā)了基于普魯士藍(lán)修飾電極的第一代電流葡萄糖生物傳感器，將葡萄糖氧化酶固定到具有Nafion層的普魯士藍(lán)修飾電極，在氧氣的存在下，通過(guò)電氧化和電還原檢測(cè)到的H2O2間接確定葡萄糖濃度。Carelli等[7]制備了基于聚吡咯膜修飾金電極的第一代電流型乙醇生物傳感器，其通過(guò)戊二醛與牛血清白蛋白共交聯(lián)而固定乙醇氧化酶，并通過(guò)電化學(xué)預(yù)處理對(duì)電極進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，從而消除了電極結(jié)垢和電極表面直接醇氧化引起的干擾，因此該生物傳感器表現(xiàn)出高靈敏度、良好的穩(wěn)定性，且不受電活性干擾物影響。但是，這類(lèi)傳感器容易受到環(huán)境因素的影響，因?yàn)樘烊坏孜铮ㄈ鏑O2、O2等）容易受溫度、pH值、氣壓等影響，干擾傳感器的檢測(cè)，且背景噪音大，這些局限性都影響其發(fā)展使用。（2）第二代電化學(xué)生物傳感器第二代生物傳感器是在第一代傳感器的基礎(chǔ)上引入電子媒介體，以實(shí)現(xiàn)酶促反應(yīng)的氧化還原中心與電極之間

第一章緒論5圖1-4酶的固定化方法[14]Fig.1-4Methodsofenzymeimmobilization.（1）吸附法：利用多孔固體載體或空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過(guò)空穴吸附、靜電作用或配位作用將酶或含酶細(xì)胞吸附在其表面或內(nèi)部孔穴中而使酶固定的方法。Urabe等[15]將血紅蛋白（Hb）引入的介孔二氧化硅的孔中，通過(guò)物理吸附作用固定在其中。Hb在介孔二氧化硅中保留了高度有序的結(jié)構(gòu)，且Hb耐熱能力得到了提升。Tully等[16]用帶電的埃洛石納米管靜電吸附進(jìn)行各種不同酶的固定，納米管具有約15nm的官腔，酶被吸附固定在管腔中，固定的脂肪酶在酸性環(huán)境下穩(wěn)定性增強(qiáng)，固定的葡萄糖氧化酶在70℃的高溫下仍然保持部分活性。該方法優(yōu)點(diǎn)是酶蛋白的活性中心不易受破壞，酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變化，酶不容易變異失活，且載體成本低，適用范圍廣。但具有酶與載體結(jié)合不牢、易脫落的缺陷。（2）包埋法：將酶包埋固定在聚合物凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的方法即為包埋法。Bhushan等[17]將脂肪酶與海藻酸鈉溶液混合，加入CaCl2溶液，得到包埋有脂肪酶的海藻酸鈣顆粒，固定化后的酶顆粒在循環(huán)使用10次后沒(méi)有任何活性損失。Wu等[18]通過(guò)熱聚合制備聚（丙烯酰胺-亞甲基雙丙烯酰胺）（P（AAm-co-MBA）），再用乙二胺戊二醛活化，用以包埋胰蛋白酶制備了固定化酶反應(yīng)器。包埋法不與酶生成化學(xué)鍵，很少改變酶的空間構(gòu)象，孔徑和幾何形狀可控，包埋的酶不易滲漏，缺點(diǎn)是大分子底物難以滲透進(jìn)入與酶反應(yīng)。（3）共價(jià)鍵合法：通過(guò)共價(jià)反應(yīng)將酶與載體材料相連接實(shí)現(xiàn)酶固定化的方法稱為共價(jià)鍵合法。Ye等[19]通過(guò)靜電紡絲工藝制備了納米纖維聚（丙烯腈-馬來(lái)酸）（PANCMA），在催化條件下將脂肪酶共價(jià)固定在納米纖維構(gòu)成的膜表面。納米纖維膜上的酶負(fù)載量為21.2±0.7mgg-1，得到的脂肪酶固定?


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