基于碳纳米管修饰电极的酶生物传感器研究进展第12期综述专论
基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ09352）
作者简介：万谦（1982~），女，江西九江人，硕士研究生，讲师，主
要研究方向：纳米电化学分析。*通讯联系人
基于碳纳米管修饰电极的酶生物传感器研究进展万谦1，2肖国光2杨平华2樊华1
（1.南昌大学环境与化学工程学院，江西南昌331000；2.九江学院化学化工学院，江西九江332005）
摘要：本文综述了基于碳纳米管修饰电极的酶生物传感器研究进展，介绍了碳纳米管修饰电极的发展及基于碳纳米管修饰电极
的酶生物传感器的检测原理及分类；重点介绍了此类传感器在环境农药分析与生命科学分析中的应用。关键词：碳纳米管修饰电极；酶生物传感器；农药；葡萄糖
中图分类号：TQ170.5文献标识码：A文章编号：1672-8114（2009）12-0001-05
1引言1991年，Iijima[1]发现了多壁碳纳米管(Mul-ti-walledcarbonnanotubes，MWNTs)；1993年，Iijima[2]和Bethune[3]又同时发现了单壁碳纳米管（Sin-gle-walledcarbonnanotubes，SWNTs）。碳纳米管(CarbonNanotubes，CNTs)的发现立即得到全世界科学界的广泛关注，人们在不断开发其新的合成途径的同时，也在努力挖掘着它潜在的应用前景。2碳纳米管修饰电极碳纳米管经过纯化、浓酸回流处理后，可以与水、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）及nafion等分散物质形成悬浮液，然后通过微量滴管等直接滴涂或溅射等方法修饰到各种基质电极上，即可制成碳纳米管修饰电极。支持电极有玻碳电极、金电极和铂电极等。3CNTs修饰酶生物传感器（EBS）的检测原理及分类3.1检测原理酶生物传感器的作用机理是在化学电极的敏感面上组装固定化酶膜，当酶膜上发生酶促反应时产生电极活性物质，基础电极对之响应，响应信号与底物的浓度之间存在线性关系，从而测得被检测物的浓度。利用CNTs作为酶的固定材料，同时也作为基础电极的修饰材料制成的传感器即
成为新型的碳纳米管修饰酶传感器[4]。
3.2CNTs修饰EBS的分类3.2.1吸附型CNTs修饰酶传感器吸附是一种非常简单有效而又古老的电极修饰方法，CNTs可通过范德华力吸附在基础电极表面,有时电极表面还覆盖一层保护膜，以防止CNTs流失，同时也起到保护酶的作用。
3.2.2糊类CNTs修饰酶传感器糊类电极是圆柱状电极，它是由CNTs和绝缘体，如Nafion等混合后而制得，其中的CNTs不仅是电极的修饰物，同时也是该类电极的主体，起着导电的作用。这种宏观修饰像蓄“酶”池一样有很大的酶负载量。3.2.3共价键合型CNTs修饰酶传感器对于Au、Pt、C等基础电极,采用水相氧化、等离子体氧化、电极氧化、硝酸氧化等预处理，可以在电极表面引入含氧基团，再通过表面有机反应，能以酯键、醚键、酰胺等键合方式将CNT固定在电极表面。
4基于碳纳米管修饰电极的酶生物传感器的应用4.1基于碳纳米管修饰电极的酶生物传感器在农药分析中的应用基于碳纳米管修饰电极的酶生物传感器在环境分析中，特别是农药分析中有广泛的应用，一般有两种酶修饰的方式，一是采用乙酰胆碱酯与
·1·ChemicalIntermediate2009年第12期
胆碱氧化酶的双酶体系，以氯化乙酰胆碱为底物，其原理是：（Acetylcholinesterase,AchE）能够选择性的催化底物水解，Acetylcholine+H2OCholine+CH3COOH（1）Choline+2O2+H2OBetaine+H2O2（2）二是采用乙酰胆碱酯单酶体系，以氯化硫代胆碱为底物，其原理是：酶的催化活性能被有机磷（OPs）或氨基甲酸酯类农药所抑制，利用这一特性可制成用于测定农药残留量的生物传感器。刘润等[5]先将AChE吸附在多壁碳纳米管修饰的玻碳电极表面，再通过戊二醛交联就取得了良好的固定化效果。该方法具有良好的重现性和回收率。当辛硫磷及氧化乐果的浓度分别在5.0×10-4~5.0×10-1g/l和1.0×10-3~5.0×10-1g/l范围内时，抑制率与其浓度的对数呈线性关系，检出限按抑制率为10%时的农药浓度计算，可分别达到3.6×10-4g/l和5.9×10-4g/l，效果令人满意。周华等[6]利用戊二醛交联法将乙酰胆碱酯酶和牛血清白蛋白固定在直接生长于石墨电极基体上生长的碳纳米管电极表面，制备了可应用于检测有机磷农药的新型生物传感器。对农药甲基对硫磷、乐果、敌敌畏响应线性范围、检测限及相关系数分别为1×10-8~1×10-3mol/l，5.4×10-9mol/l，0.9683和1×10-7~1×10-3mol/l，8.5×10-8mol/l，0.9926及1×10-8~1×10-3mol/l，7.02×10-9mol/l，0.9915。所制得的传感器稳定性，重现性较好，重现性达到了97.63%。张璐等[7]应用化学交联法将巴西日圆线虫乙酰胆碱酯酶(AChE)固定于多壁碳纳米管修饰的玻碳电极表面，制备用于有机磷农药检测的电化学生物传感器。研究了巯基胆碱(TCh)在该修饰电极上的电化学行为。优化实验条件得出,响应电流与马拉硫磷的浓度在6.0×10-10~6.0×10-9mol/l范围内呈良好的线性关系，检出限为1.0×10-10mol/l
。
测定了湖水中马拉硫磷的含量,回收率为97%~105%。
Kandimalla等[8]将碳纳米管均匀分布在壳聚
糖膜上，由共价键结交叉固定乙酰胆碱酯酶检测有机磷。固定化的乙酰胆碱酯酶催化乙酰胆碱水解成硫胆碱，氧化后产生的检测信号在线性范围1.0×10-6~5.0×10-4mol/l都能快速响应。壳聚糖的
生物相容性和多壁碳纳米管的导电性能提高了对有机磷农药的检测效果，在1.5×10-6~8.0×10-5
mol/l范围内稳定性和重复性较好，回收率达到
95%。
Du等[9-11]将乙酰胆碱酯酶通过戊二醛交联法
以及溶胶-凝胶法固定在碳纳米管修饰电极上，制备用于检测三唑磷农药的生物传感器。实验证明，制备的传感器重复性和稳定性良好。Cai[12]等将乙酰胆碱酯酶固定在碳纳米管交
联醋酸纤维复合材料修饰的丝网印刷电极上制备检测西维因传感器。在优化条件下，抑制率和浓度的线性关系集中在两个范围，分别为0.01~0.5μg/ml及2~20μg/ml，相关系数分别为
0.9985和0.9977。检出限按抑制率为10%时的农
药浓度计算，达到0.004μg/ml。Choi[13]等将有机磷水解酶固定在碳纳米管
/
离子液体巴基凝胶电极上，制备有机磷生物传感器。通过对三种不同离子液体的使用，证明碳纳米管/离子液体电极在反应时间、稳定性、灵敏度等电化学性能上都有很大程度提高。同时，使用不同的离子液体会导致电极的电化学和生物催化性能有很大不同。这是由于有机磷水解酶与三种离子液体所形成的微环境的构象变化引起的。Viswanathan[14]等将乙酰胆碱酯酶固定在聚苯
胺矩阵上再与用单链DNA包裹的碳纳米管交联制成生物传感器检测甲基对硫磷和毒死蜱。线性范围1.0×10-11~1.0×10-6mol/l，检出限1.0×10-12
mol/l。稳定性和重现性良好。
4.2基于碳纳米管修饰电极的酶生物传感器在生命分析中的应用空气中的氧气在GOD的催化作用下将葡萄糖氧化产生过氧化氢，通过检测酶反应所产生的过氧化氢，来测定葡萄糖。S.G.Wang等人[4]用自组装MWNT修饰金电
·2·基于碳纳米管修饰电极的酶生物传感器研究进展第12期极，并在碳管上固定GOD，实现了电子的直接传递，在0.65V和0.45V的电位下响应电流比玻碳电极有明显增大。Azamian等[15]将葡萄糖氧化酶固定在SWNT表面而酶的活性却未完全丧失。经过研究比较发现，相对于一个已活化的宏观碳电极，制备的生物-SWNT传感器，在同样的扩散媒介以及等量葡萄糖底物存在下，催化信号增强了不止一个数量级。胡贵权等人[16]研究了基于MWNTs修饰的碳糊电极，并将这种电极应用到了葡萄糖生物传感器中。碳纳米管中电子的径向转移速度非常迅速，提高了酶促反应速度、反应效率。相对于没有碳纳米管修饰的电极，同样反应条件下，响应电流和响应速度都有较大的提高。王酉等[17]在丝网印刷碳糊电极上利用吸附法将葡萄糖氧化酶固定在丝网印刷的碳糊电极上，用碳纳米管对电极进行修饰改良，铁氰化钾作为电子传递剂，制作用于测量人体血浆中葡萄糖浓度的生物传感器。与无修饰的传感器相比，通过碳纳米管修饰电极，葡萄糖传感器的灵敏度从0.3338μA/mM提高到0.8432μA/mmol。王存嫦等[18]通过戊二醛在电极表面固定葡萄糖氧化酶制备了一种新的葡萄糖传感器。他们将制备的铁氰酸镍纳米颗粒(NiNP)与MWNT混合，分散于壳聚糖溶液中，形成一种新的纳米复合成分(NiNP-CNT-CHIT)，将其修饰在玻碳电极表面，此NiNP-CNT-CHIT复合膜修饰的玻碳电极在较低电位下对过氧化氢具有良好的电催化性能，与NiNP-CHIT膜比较，测定H2O2的灵敏度增大了50倍。渠凤丽等[19]将多壁碳纳米管分散于制备的CHIT和TEOS溶胶-凝胶混合物体系,通过在此复合膜修饰的玻碳电极上固定葡萄糖氧化酶制备了葡萄糖生物传感器。传感器对葡萄糖有灵敏响应,并有很好的重现性和稳定性,应用于实际样品体系的回收试验,结果良好。王酉等[17]在丝网印刷碳糊电极上利用吸附法固定尿酸酶，并用碳纳米管进行修饰，铁氰化钾作为电子传递剂，制作出用于测量人体尿液中尿酸浓度的生物传感器。与无修饰的传感器相比，灵敏度从0.4028μA/(mg/dl)提高到0.7138μA/(mg/dl)宋昭等[20]采用溶胶－凝胶法固定胆碱氧化酶(ChOx)，所制备的传感器在pH=7.2，电位为0.15V条件下对氯化胆碱的线性响应范围为
5.0×10-6~1.0×10-4mol/l，检出限为5.0×10-7mol/l，
灵敏度为9.48μA/mmol/l。该传感器的稳定性好，经过1个月，仍可保持初始电流的85%，抗干扰能力有很大提高，用于人体血清中的胆碱浓度测定，结果令人满意。4.3基于碳纳米管修饰电极的酶生物传感器在其他分析中的应用姚冬生等[21]初步探索了酶生物传感器三电极系统对杂色曲霉素(ST)的电化学分析，证明了检测缓冲液中ST的方法的可行性。他们利用黄曲霉毒素解毒酶(ADTZ)作为杂色曲霉素的分子识别元件，并且利用羧化多壁碳纳米管做酶固定化载体及中间电子传递体构建Au工作电极，对ST进行循环伏安和示差脉冲伏安分析，结果表明，ST在-600mV有一明显的特征还原峰电位，线性检测范围是8.32×10-5~66.56×10-5mg/ml