葡萄糖是最重要的生物化合物之一，因為它參與了體內(nèi)大量的反應(yīng)。葡萄糖檢測在食品工業(yè)質(zhì)量監(jiān)測、化學(xué)發(fā)酵過程控制、糖尿病診斷等領(lǐng)域具有重要意義。全球有數(shù)億人患有糖尿病，根據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會(IDF)的數(shù)據(jù)，每7秒就有一人死于糖尿病相關(guān)的并發(fā)癥，使其成為全球主要死亡原因之一。頻繁監(jiān)測血糖對于疾病的最佳管理和避免其相關(guān)問題(如心血管和腎臟疾病、中風(fēng)、失明和神經(jīng)退化)是必不可少的，特別是監(jiān)測血液中的葡萄糖。

而基于酶電極的電化學(xué)測量，因其靈敏度高、選擇性好、操作簡單等優(yōu)點受到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其主要原理如圖1、2所示。葡萄糖的的分子結(jié)構(gòu)為多羥基醛，分子中包含5個羥基、1個醛基，其中醛基可以被氧化和還原、羥基可以發(fā)生酯化反應(yīng)，最重要的反應(yīng)是葡萄糖在生物體內(nèi)經(jīng)過酶的催化發(fā)生反應(yīng)，其反應(yīng)方程如圖2所示，首先，GOx(FAD)氧化態(tài)葡萄糖酶將葡萄糖氧化為葡萄糖內(nèi)酯酸，同時還原態(tài)酶GOx(FADH₂)將溶液中氧氣還原為過氧化氫，過氧化氫進一步分解產(chǎn)生電子。

圖1

圖2

基于上述生物體內(nèi)的反應(yīng)原理，第一代酶電極通過氧氣的消耗量和過氧化氫的產(chǎn)生量來計算反應(yīng)濃度的，圖3右側(cè)為氧電極結(jié)構(gòu)，其中氧溶解溶液的電極中間為導(dǎo)電的惰性金屬Pt,電極表面則負載了葡萄糖氧化酶，酶與葡萄糖反應(yīng)消耗的氧濃度由于擴散作用引起電極內(nèi)部氧氣濃度的變化，進而計算出葡萄糖的濃度。但是這樣的電極有多個缺點，酶不能保持長時間的活性、氧氣的溶解度有限、檢測限低、響應(yīng)速率慢。

圖3

為了優(yōu)化第一代酶電極的各種缺點，研發(fā)人員開發(fā)了第二代酶電極。第二代酶電極原理如圖4所示，為了提高響應(yīng)速率，第二代酶電極通過選擇一些氧化還原電位低的材料與不導(dǎo)電的酶進行固定，例如，亞鐵氰化物、二茂鐵及其衍生物、對苯二酚、酞菁鈷等等、這樣即可以實現(xiàn)通過電極電子的控制對電極材料進行氧化還原，最后再通過酶的反應(yīng)產(chǎn)生的電子分析葡萄糖濃度。但是酶活性的長期活性依然存在問題。

圖4

第三代酶電極如圖5所示，研究人員采用了將酶固定在導(dǎo)電的納米線上，再采用導(dǎo)電的聚合物進行包覆，一是提高了電子的傳遞效率，二是增加了酶在電極上的反應(yīng)時間，保持更長時間活性。

圖5