酶传感器的结构与工作原理详解

1.基本结构

酶传感器的基本结构是由物质识别元件(固定化酶膜)和信号转换元件(基体电极)组成的。当酶膜上发生酶促反应时,产生的电活性物质由基体电极对其响应。基体电极的作用是使化学信号转变为电信号,从而使化学信号能够加以测定。基体电极可以分为碳质电极(石墨电极、碳棚电极、玻碳电极)、Pt电极及对应的修饰电极。

2.工作原理

当酶电极浸入待测溶液,待测底物进入酶层的内部并参与反应时,大部分酶反应都会消耗或产生一种可被电极测定的物质,该物质称为电极活性物质,如O2、H2O、NH3等。当反应达到稳态时,电极活性物质的浓度可以通过电位或电流进行测量,因此酶传感器可以分为电位型和电流型两类。电位型酶传感器是用酶电极与参比电极间输出的电位信号来测定待测物的;电流型酶传感器是通过将酶促反应所引起的物质量变化转变为电流信号来测定待测物的,输出电流的大小与底物浓度有直接关系。与其他类型的传感器相比,电位型和电流型酶传感器具有更加简单、直观的效果。酶电极的特性除与基础电极特性有关外,还与酶的活性、底物浓度、酶膜厚度、pH值和温度有关。

图5.2是一种葡萄糖酶电极的检测过程。其敏感膜为葡萄糖氧化酶(GOD),该葡萄糖氧化酶固定在聚乙烯酰胺凝胶上,而转换电极为另一种氧电极。当酶电极插入被测葡萄糖溶液中时,溶液中的葡萄糖因葡萄糖氧化酶的作用而被氧化,此过程中将消耗氧气,生成H2O2,式(5.1)和式(5.2)是该反应的反应式。此时在氧电极附近的氧气含量由于酶促反应而减少,相应使氧电极的还原电流减小,通过测量电流值的变化即可确定葡萄糖的浓度。(www.xing528.com)

图5.2　葡萄糖酶电极的检测过程

这种酶传感器涉及酶与电极之间的直接电子转移,不需要其他媒介物质,可以在很大程度上提高传感器的灵敏度和选择性,但是由于酶活性中心处在蛋白壳中,与电极有一定距离,直接电子转移容易受到距离的影响。为了促进电子的转移,可以人为地进行掺杂,加入金属纳米粒子、半导体纳米材料等其他导电材料,由于其具有更大的比表面积、良好的生物相容性和稳定性,这些导电材料在酶的固定化中起着重要的作用,既能很稳定地将酶固定,又能很好地保持酶的生物活性。