第一代电化学生物传感器以自然物质（如氧气） 作为电子传输媒介。 最早的Clark 型生物传感器，其 基本原理是借助于溶液中溶解O2进行酶与电极间的 电子传递，从而实现酶的再生。 底物的测定是通过 检测产物H2O2浓度变化或氧的消耗量来进行。 1962 年，Clark和Lyons首先在氧电极的基础上提出了葡萄 糖 传 感 器 的 设 计 原 理 。 随 后 ， 在1967年Updike和 Hicks 把 含 葡 萄 糖 氧 化 酶 的 聚 丙 烯 酰 胺 膜 固 定 到 氧 电极上，研制出了第一支葡萄糖传感器。 但由于此 类传感器中被检测物的响应信号对氧气的分压有很 强的依赖性，且被分析物所在体系中氧气的分压很 容易发生变化。 因此，该类传感器电极稳定性不够 好，寿命较短，灵敏度较低，抗干扰能力差，难以微型 化等。 这些缺点大大地限制了生物传感器的推广和 应用。 2.2 第二代电化学生物传感器
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可牢固粘附于电极表面， 通过自身的荷电基团对一 些 荷电物质产生亲合或排斥作用，能较好改善酶等生 物敏感组织以及媒介体的固定牢度；同时，其离子交换 特性还赋予电极预富集、离子交换、防污染等性能，这 类介体型生物传感器有效寿命有的可达数月之久[6，7]。 2.3 第三代电化学生物传感器
随着生物传感技术的不断进步， 发展新型简单 便携、准确可靠、灵敏耐用的生物传感器已成为当务 之急。第三代生物传感器的研究应运而生，它是以氧 化还原蛋白质和酶直接电化学行为为理论基础，以 酶与电极之间的直接电子转移为特征的新型生物传 感器。这种传感器无需引入媒介体，与氧及其他电子 受体无关，因此固定化相对简单，无外加毒性物质， 是当前最理想的生物传感器， 也称为第三代无媒介 的生物传感器。 这类传感器直接利用酶和蛋白质的 直接电化学行为， 对于构建第三代生物传感器的酶 和蛋白质必须能在电极上表现出直接电子传输性质 （即氧化还原活性）， 符合上述要求的蛋白质和酶通 常有过氧化物酶、血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素C、 葡萄糖氧化酶、氯化血红素等。若要实现酶和电极之 间有效直接的电子传输， 必须构建一个合适的薄膜 界面，在这个薄膜电极的构建中，材料的选择至关重 要。 只有那些生物相容性好且又能对酶和电极之间 进行直接电子传输有促进作用的材料才是研究者的 首选材料。这类材料包括某些天然和人造聚合物，表 面活性剂，无机和有机溶胶-凝胶，自组装单层和多 层膜，双层磷酸脂膜等。 近年来，随着材料科学的发 展，材料的种类越来越多，在众多新材料中离子液体 和纳米材料为研究者所偏爱。
3 当前电化学生物传感器研究热点
3.1 减少非特异性吸附的新材料开发 实现高度的敏感性和特异性蛋白检测的关键就
是要防止非特异性蛋白质的吸附。免疫分析中，非特 异的蛋白吸附常常是阻碍高灵敏度和高通量处理的 一个重要的因素。 中科院马宏伟课题组研究出解决 非特异性吸附的新方法，开发了一种新的固相载体， 有望达到“0”非特异吸附。 3.2 蛋白质吸附及生物相容性改良
4结语
当前电化学生物传感器的研究绝大多数还处于 基础研究阶段，未来实现传感器的商品化还有许多 工作要做。 关乎人类生命与健康的，廉价、微型化、 集成化和智能化、便于携带、便于现场或实时性、在 线性检测的新型电化学生物传感器的开发是研究者 们继续奋斗的目标。
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第 12 卷 第 6 期
重庆科技学院学报（自然科学版）
2010 年 12 月
我国电化学生物传感器的研究进展
刘艳 （长江师范学院，重庆 408100）
摘 要：介绍电化学生物传感器的基本原理及分类；阐述电化学生物传感器的发展历程；综述近三年来电化学生物
传感器中研究最为广泛的电流型生物传感器的应用。
关键词：电化学；生物传感器；非特异性 代 起 ， 为 克 服 第 一 代 电 化 学 生 物 传 感器的诸多缺点，人们开始用小分子的人造电子传 递媒介来代替氧作为媒活中心与电极间的电子通 道， 通过检测媒介体的电流变化来反映底物浓度的 变化，从而构造出了第二代电化学生物传感器。 第 二代电化学生物传感器可用作电子媒介体的物质通 常有铁氰化物、二茂铁及其衍生物、甲基紫精、四硫 富瓦烯、染料分子、Ru、Os的化合物、苯醌等。 该类电 极有许多优点，可以在无氧环境中检测生物组分的 浓度，解决了传感器对氧气的依赖问题。 这些物质 虽具有疏水性，可直接吸附于电极表面，但往往由于 吸附不牢而易于流失，同时媒介体也具有潜在的毒 性，这些因素都限制了第二代传感器的发展。 国内 对第二代生物传感器进行了许多研究工作，从不同 角度、不同途径，对其加以改进，如利用某些离子交 换聚合物膜，改善上述问题。 这些电极修饰膜自身
电化学生物传感器是将生物活性材料（敏感元 件）与电化学换能器（即电化学电极）结合起来组成 的生物传感器。 当前，电化学生物传感器技术已在 环 境 监测、临床检验 、食 品和药物分析 、生化分 析[2-4]等 研究中有着广泛的应用。 本文在此综述电化学生物 传感器的工作原理、分类及几个当今研究的热点。
按照检测信号的不同， 电化学生物传感器可分
收 稿 日 期 ：2010-07-20 基 金 项 目 ：重 庆 市 教 委 科 学 技 术 研 究 资 助 项 目 （KJ101315） 作者简介：刘艳（1968- ），女，四川乐山人，副教授，研究方向为电化学传感器。
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刘艳：我国电化学生物传感器的研究进展
中 图 分 类 号 ：O652
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1673-1980（2010）06-0153-03
在生命科学研究和医学临床检验中，需对各种 各样的生物大分子进行选择性测定。 据统计，全世 界每年要进行数亿次免疫学和遗传学病理检验。 常 用的检验小型化分析装置和检测方法，成为目前现 代分析化学研究领域的前沿课题。
电化学生物传感器是在上述电化学传感器原理 的基础上，以具有生物活性的物质作为识别元件，通 过特定反应使被测成分消耗或产生相应化学计量数 的电活性物质， 从而将被测成分的浓度或活度变化 转换成与其相关的电活性物质的浓度变化， 并通过 电极获取电流或电位信息， 最后实现特定物质的检 测。 如图1所示，这类传感器中使用的生物活性材料 包括酶、微生物、细胞、组织、抗体、抗原等等。
Continuous Monitoring in Cardiovascular Surgery [J]. Annals of the New York Academy of Science,1962,102(1):
29-45. [2] 毛 秀 玲 ，吴 坚 ，应 义 斌. 电 化 学 生 物 传 感 器 在 发 酵 领 域 中
1962 年 ，Clark 提 出 将 生 物 和 传 感 器 联 用 的 设 想，并制得一种新型分析装置“酶电极”。 这为生命 科学打开一扇新的大门，酶电极也成为发展最早的 一类生物传感器。 生物传感器结合具有分子识别作 用的生物体成分 (酶、微生物、动植物组织切片、抗 原和抗体、核酸)或生物体本身 (细胞、细胞器、组织) 作为敏感元件与理化换能器，能产生间断的或连续 的信号，信号强度与被分析物浓度成比例。
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感器的研究[J]. 分析化学,2010,38(2):153-157. [4] 杨 欣,干 宁,谢 东 华 ，等. 基 于 复 合 纳 米 微 粒 修 饰 电 极 的 氯
Mo dication of Poly (dimethylsiloxane) with Polysaccha Rides and Assay of Their Protein Adsorption and Cytocompatib- ility [J].Anal.Chem,2010,82:6 430-6 439.
1 电化学生物传感器概述
1.1 电化学生物传感器的原理 电化学生物传感器是将生物活性材料（敏感元
件）与电化学换能器（即电化学电极）结合起来组成 的生物传感器。 当电化学池中溶液的化学成分变化 时， 电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势 差会随之发生变化， 这样通过测定电流或电势的