【CN110057793A】基于单量子点的纳米传感器检测人烷基糖基化酶的方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910199129.2

(22)申请日 2019.03.15

(71)申请人 山东师范大学

地址 250014 山东省济南市历下区文化东

路88号

(72)发明人 张春阳　李琛琛　刘万鑫　胡娟　

(74)专利代理机构 济南圣达知识产权代理有限

公司 37221

代理人 王磊

(51)Int.Cl.

G01N 21/64(2006.01)

(54)发明名称

基于单量子点的纳米传感器检测人烷基糖

基化酶的方法

(57)摘要

本公开提供了基于单量子点的纳米传感器

检测人烷基糖基化酶的方法，hAAG引发发夹探针

裂解产生触发探针，触发探针与AP探针杂交，在

APE1酶的作用产生裂解释放出触发探针，并获得

引物，释放的触发探针继续与AP探针杂交APE1的

辅助下形成循环裂解，从而获得大量引物，获得

引物与捕获探针杂交后，通过聚合将改性脱氧核

糖核苷三磷酸聚合至双链DNA中，双链DNA通过生

物素与单量子点的链霉亲和素的结合，使双链

DNA自组装至单量子点的表面，然后经过激发后

使Cy5产生荧光共振能量转移，并通过荧光显微

镜测量。本公开提供的方法能够实现对hAAG的超

灵敏检测。

权利要求书2页 说明书10页序列表2页 附图7页CN 110057793 A 2019.07.26

C N 110057793

A

权　利　要　求　书1/2页CN 110057793 A

1.一种基于单量子点的纳米传感器，其特征是，包括发夹探针、AP探针、捕获探针、改性单量子点、APE1酶、改性脱氧核糖核苷三磷酸；

所述发夹探针为茎-环结构的单链DNA，茎结构的一条互补链修饰次黄嘌呤，茎结构中次黄嘌呤至末端序列为能够与AP探针配对杂交的触发探针；

所述AP探针为含有AP位点的单链DNA，所述AP位点位于能够与触发探针互补的AP探针的序列中，AP位点至AP探针末端的序列为能够与捕获探针配对杂交的引物；

所述捕获探针为一个末端修饰有生物素的单链DNA，捕获探针长度高于引物的长度，所述捕获探针分为两部分序列，一部分序列为能够与引物配对杂交的序列，另一部分序列中含有若干能够与改性脱氧核糖核苷三磷酸的位点，生物素修饰在另一部分序列的末端；

所述改性脱氧核糖核苷三磷酸为修饰有Cy5的一种脱氧核糖核苷三磷酸；

所述改性单量子点为表面修饰链霉亲和素的单量子点。

2.如权利要求1所述的纳米传感器，其特征是，所述发夹探针为3'端突出的茎-环结构的单链DNA，次黄嘌呤位于茎结构的3'端的互补链上，所述触发探针为次黄嘌呤至3'端的序列。

3.如权利要求1所述的纳米传感器，其特征是，所述AP探针的长度大于触发探针的长度；

或，所述引物为AP位点至AP探针5'端的序列。

4.如权利要求1所述的纳米传感器，其特征是，所述捕获探针的5'端修饰有生物素。

5.如权利要求1所述的纳米传感器，其特征是，发夹探针5'至3'的序列为CAC GAT GAA TCC TAG ACT ATT TTT ATA GTC TAG GAT TCI TCG TGA CAA TAC AAC；

AP探针5'至3'的序列为CGC TGG AGC TGA GTT GTT GTA TXG TCA CGA；

捕获探针5'至3'的序列为AAA TGA CAT CGA CTG ACG TAC CTC A TAC AAC AACTCA GCT CCA GCG。

6.一种人烷基糖基化酶的检测试剂盒，其特征是，包括权利要求1～5任一所述的纳米传感器、缓冲溶液、DNA聚合酶；

优选的，DNA聚合酶为Klenow片段聚合酶。

7.基于单量子点的纳米传感器检测人烷基糖基化酶的方法，其特征是，提供权利要求1～5任一所述的纳米传感器或权利要求6所述的检测试剂盒，hAAG引发发夹探针裂解产生触发探针，触发探针与AP探针杂交，在APE1酶的作用产生裂解释放出触发探针，并获得引物，释放的触发探针继续与AP探针杂交APE1的辅助下形成循环裂解，从而获得大量引物，获得引物与捕获探针杂交后，通过聚合将改性脱氧核糖核苷三磷酸聚合至双链DNA中，双链DNA 通过生物素与单量子点的链霉亲和素的结合，使双链DNA自组装至单量子点的表面，然后经过激发后使Cy5产生荧光共振能量转移，并进行荧光检测。

8.如权利要求7所述的方法，其特征是，其步骤为：

(1)将待测样品、发夹探针、APE1酶加入至1×NEBuffer 4中，在人体温度下进行反应；

(2)向步骤(1)反应后的溶液中添加AP探针和APE1酶，在人体温度下进行反应；

(3)将步骤(2)反应后的产物、捕获探针、改性脱氧核糖核苷三磷酸、与改性脱氧核糖核苷三磷酸不同另外三种脱氧核糖核苷三磷酸、Klenow片段聚合酶添加至1×NEBuffer2中，在人体温度下进行反应；

2

葡萄糖传感器

基于ZnO/Nafion有机-无机复合膜固定双酶的葡萄糖传 感器研究 基于酶促反应的的葡萄糖传感器其最基本的原理是：利用固定化葡萄糖氧化酶膜作识别器件，将感受的葡萄糖量转换成可用输出信号。葡萄糖传感器基本由酶膜和Clark氧电极或过氧化氢电极组成。在葡萄糖氧化酶的催化作用下,葡萄糖发生氧化反应消耗氧气，生成葡萄糖酸内酯和过氧化氢。葡萄糖氧化酶被半透膜通过物理吸附的方法固定在靠近铂电极的表面，其活性依赖于其周围的氧浓度。葡萄糖与葡萄糖氧化酶反应，生成两个电子和两个质子。被氧及电子质子包围的还原态葡萄糖氧化酶经过反应后，生成过氧化氢及氧化态葡萄糖氧化酶，葡萄糖氧化酶回到最初的状态并可与更多的葡萄糖反应。葡萄糖浓度越高，消耗的氧越多，生成的过氧化氢越多。葡萄糖浓度越少，则相反。因此，氧的消耗及过氧化氢的生成都可以被铂电极所检测，并可以作为测量葡萄糖测定的方法。 但是作为检测物的过氧化氢的氧化需要在较高的电位下进行，而高电位条件下的许多电活性物质都会被氧化而干扰，影响传感器的选择性。为了解决这个问题，就需要降低传感器的操作电位。有两种办法可以解决这个问题：1、制备介体酶传感器，2、用过氧化物酶和氧化酶结合制成双电极。

HRP制成的过氧化物酶电极在测定过氧化氢时具有较高的灵敏度和选择性，并且操作电位通常比较低，在这样的电位下可以避免一些电活性物质的干扰。 另外纳米颗粒固定化酶在解决这一问题上也比较有效。纳米粒子具有特殊的壳层结构。这种结构使纳米颗粒具有特殊的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应以及由此产生的许多光学和电学性质。纳米粒子具有高比表面积、高活性、强吸附力及高催化效率等优异特性，可增加酶的吸附量和稳定性，同时还能提高酶的催化活性，使酶的电极响应灵敏度得到提高。 将纳米材料掺杂到传感器敏感膜内，可以提供生物材料适应的微环境，达到维持生物组分活性和改进生物传感器性能的目的。例如将ZnO分散在Nafion中构成的葡萄糖电极就利用了ZnO的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、吸附能力强等性能和Nafion的成膜、抗干扰能力，制成了响应快速、灵敏度高的葡萄糖传感器。由于同时固定了过氧化物酶和葡萄糖氧化酶，该传感器能够实现在较低电位下检测葡萄糖，提高选择性。 固定双酶的葡萄糖传感器的研究方向主要是：1、寻找 更便宜的用于生物传感器的纳米粒子。比如一开始的Au 、Ag 或者它们的复合粒子以及碳纳米管等。它们虽然可提高 灵敏度, 但价格昂贵, 不适合将来大规模工业化生产的目标。

生物传感器的研究现状及应用

生物传感器的研究现状及应用 生物传感器？这个熟悉但又概念模糊的名词最近不断出现在媒体报道上，生物传感器相关的研究项目陆续获得巨额的研究资助，显示出越来越受重视的前景。要掌握生命科学研究的前研信息，争取好的研究课题和资金，你怎能不了解生物传感器？ 让我们来看看生物通最近的一些报道： 英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理。振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸，有望可使医生诊断和监测常见类型的肿瘤，获得最佳治疗方案。该装置可以鉴定肿瘤标志物－蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。该小组下一步目标是把检测系统做成一个手持式系统，更加快速方便地检测组织样品。欧共体已经拨款1200万欧元资金给该小组，以使该技术进一步完善。 苏格兰Intermediary Technology Institutes计划投资1亿2千万英镑发展“生物传感器平台（Biosensor Platform）”——一种治疗诊断技术。作为将诊断和治疗疾病结合在一起的新兴疗法，能够在诊断的同时，提出适合不同病人的治疗方案，可以降低疾病诊断和医学临床的费用与复杂性，同时具备提供疾病发展和药品疗效成果的能力。目前该技术已被使用在某些乳癌的治疗上，只需在事前做些特殊的测试，即可根据结果决定适合的疗程。这个技术更被医学界视为未来疾病疗程的主流。 来自加州大学洛杉矶分校的研究者使用GeneFluidics开发的新型生物传感器来鉴定引起感染的特定革兰氏阴性菌，该结果表明利用微型电化学传感器芯片已经可以用于人临床样本的细菌检查。GeneFluidics' 16-sensor上的芯片包被了UCLA设计的特异的遗传探针。临床样本直接加到芯片上，然后其电化学信号被多通道阅读器获取。根据传感器上信号的变化来判断尿路感染的细菌种类。从样品收集到结果仅需45分钟。比传统方法（需要2天时

石墨烯_纳米金复合材料的无酶葡萄糖生物传感器制备

DOI ：10．3724/SP．J．1096．2011．01846石墨烯/纳米金复合材料的无酶葡萄糖生物传感器制备 朱旭 1李春兰1刘琴2朱效华1张银堂1徐茂田*11（商丘师范学院化学系，商丘476000）2（华南师范大学化学与环境学院，广州510631） 摘要以抗坏血酸（AA ）为还原剂，通过同步还原法制得石墨烯/纳米金复合材料。采用电化学方法，构建了一种基于石墨烯/纳米金复合材料修饰电极的无酶葡萄糖生物传感器。实验中，通过伏安法考察了不同修 饰电极在葡萄糖溶液中的电化学行为。同时， 探讨了溶液中OH －离子强度、溶解氧、扫描初始电位及石墨烯与纳米金的比例对传感器响应特性的影响。在优化实验条件下，采用线性扫描伏安法检测葡萄糖的线性范围 为0．1 20mmol /L ， 检出限为1．6?10－5mol /L （S /N =3）。对1mmol /L 葡萄糖平行测定10次，其相对标准偏差为2．7%。实验结果表明，此传感器具有较高的灵敏度、较好的重现性、稳定性及抗干扰能力。本方法可用于人血清样品中葡萄糖含量的测定，回收率为96．2% 103．2%，结果令人满意。 关键词石墨烯；纳米金（GNPs ）；葡萄糖；无酶传感器；电化学 2011-01-20收稿；2011-07-20接受 本文系国家自然科学基金（Nos．20775047， 20905045，21045003，21175091）资助*E-mail ：xumaotian@sqnc．edu．cn 1引言 葡萄糖的分析与检测对人体的健康及疾病的诊断、治疗和控制有着重要意义，因此，葡萄糖传感器的研究始终是化学与生物传感器研究的热点之一。在诸多类型的葡萄糖传感器中，有关葡萄糖电化学传感器的研究较多［1，2］。常见的葡萄糖电化学传感器主要分为有酶和无酶两种类型。有酶传感器是基于酶对底物的特异性识别功能，具有专一性及高度选择性。然而，由于酶的活性易受到周围环境如温 度、湿度及化学环境等因素的影响［3］，且固载的酶可能会泄漏，以致影响传感器的稳定性及使用寿命， 在一定程度上限制了该类传感器的应用范围。无酶葡萄糖传感器是一种基于葡萄糖分子在相关催化活 性材料表面的电催化氧化信号对其进行定性及定量检测的传感装置。近年来， 一些具有催化性能的纳米材料已被广泛用于制备新型的无酶葡萄糖传感器，此类传感器因制备简单、稳定性好，可重复利用，价 格低廉，能在无酶情况下直接检测葡萄糖，目前已成为葡萄糖电化学传感器研究领域的热点［4］。Kumi- awan 等［5］研究了金纳米颗粒修饰的金电极与未修饰的金电极分别在碱性溶液中对葡萄糖的响应情况，结果表明：在相同条件下，金纳米颗粒修饰的电极对葡萄糖的催化氧化电流高于未修饰的金电极。俞 建国等［6］采用电刻蚀法制得微镍电极，利用碱性条件下葡萄糖在该修饰电极表面的电催化氧化性质，制备了新型抗干扰无酶葡萄糖微传感器。目前，基于金属纳米材料与碳纳米管等碳基材料复合物的无 酶葡萄糖传感器研究多有报道［7 10］。石墨烯作为一种具有二维结构的新型碳基材料，因其具有更大的 比表面积及高电子传导能力、原料易得且价格便宜等优点，已成为继碳纳米管后新一代的理想电极修饰 材料 ［11，12］。将其代替碳纳米管等材料应用到无酶葡萄糖传感器的制备尚未见报道。本研究结合金纳米颗粒与石墨烯的优点，通过同步还原法制得石墨烯/纳米金复合材料，再采用滴 涂法并利用Nafion 的稳定作用将该复合材料修饰在玻碳电极表面， 研制出一种高性能的无酶葡萄糖生物传感器。该传感器可用于对临床样品的检验， 具有灵敏度高，选择性和稳定性好等特点。2实验部分 2．1仪器与试剂 CHI660D 电化学工作站（上海辰华仪器公司）；电化学测量采用三电极系统：玻碳电极（Φ=3mm ） 或修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极（SCE ）为参比电极，铂丝电极为对电极；KQ- 100E 型超声清洗机第39卷 2011年12月分析化学（FENXI HUAXUE ）研究报告Chinese Journal of Analytical Chemistry 第12期1846 1851

纳米电化学生物传感器重点

收稿:2008年3月, 收修改稿:2008年8月 *深圳大学科研启动基金项目(No. 200818 资助**通讯联系人 e 2mail:yang hp@https://www.wendangku.net/doc/c64256888.html,. cn 纳米电化学生物传感器 * 杨海朋 ** 陈仕国李春辉陈东成戈早川 (深圳大学材料学院深圳市特种功能材料重点实验室深圳518060 摘要纳米电化学生物传感器是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质, 与特异性分子识别物质如酶、抗原P 抗体、D NA 等相结合, 并以电化学信号为检测信 号的分析器件。本文简要介绍了生物传感器的分类和纳米材料在电化学生物传感器中的应用及其优势, 综述了近年来各类纳米电化学生物传感器在生物检测方面的研究进展, 包括纳米颗粒生物传感器, 纳米管、纳米棒、纳米纤维与纳米线生物传感器, 以及纳米片与纳米阵列生物传感器等。 关键词生物传感器电化学传感器纳米材料生物活性物质固定化 中图分类号:O65711; TP21213 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2009 0120210207 Nanomaterials Based Electrochemical Biosensors Y ang Haipeng **

Chen Shiguo Li Chunhui Chen Dongche ng Ge Zaochuan (Shenzhen Key Laboratory of Special Functional M aterials, College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China Abstract Biosensors w hich utilize immobilized bioac tive compounds (such as enz ymes, antigen, antibody, D N A, etc. f or the c onversion of the target analytes into electroc he mically detectable products is one of the most widely used detection methods and have become an area of wide ranging research activity. The advances in biocompatible nano technology make it possible to develop ne w biosensors. A variety of biosensors with high sensitivity and excellent reproducibility based on nano technology have been reported in recent years. In this paper, the development of the researches on nano amperometric biosensors, one of the most important branches of biosensors, is revie wed. Nanoscale architectures here involve nano 2particles, nano 2wires and nano 2rods, nano 2sheet, nano 2array, and carbon nanotube, etc. Remarkable sensitivity and stability have been achieved by coupling immobilized bioactive compounds and these nanomaterials. Key words biosensors; electroche mistry sensors; nanomaterials; bioactive compounds; immobiliz ation Contents 1 Introduction to biosensors 2 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 1 Challenges and developments of biosensors 2. 2 Introduction of nanomaterials 2. 3 Nanomaterials based electrochemical biosensors 2. 3. 1 Nano particles based electrochemical biosensors

铂纳米颗粒 碳化丝布用于柔性非酶的电化学葡萄糖传感器

Material Sciences 材料科学, 2019, 9(11), 984-992 Published Online November 2019 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/c64256888.html,/journal/ms https://https://www.wendangku.net/doc/c64256888.html,/10.12677/ms.2019.911122 Pt Nanoparticles/Carbonized Silk Fabric Composites for Flexible Electrochemical Glucose Sensor Jing Liang, Xin Xi, Wei Ji, Ruili Liu* Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai Received: Oct. 28th, 2019; accepted: Nov. 11th, 2019; published: Nov. 18th, 2019 Abstract The platinum nanoparticles/carbonized silk fabrics (Pt/CSF) composites were successfully fabri-cated by uniformly loading Pt nanoparticles by chemical reduction method on the surface of the CSF used for nonenzymatic and flexible glucose sensor. The carbonized silk fabrics showed good conductivity, flexibility and stability. After loading Ptnanoparticles, the fabricated Pt/CSF compo-sites showed high detection performance without enzyme. It had a wide linear range from 7 μM to 8.5 mM and low detention limit of 7 μM. This method indicated a great prospect for nonenzymatic and flexible sensors. Keywords Carbonized Silk Fabrics, Flexible, Nonenzymatic, Glucose Sensor 铂纳米颗粒/碳化丝布用于柔性非酶的电化学 葡萄糖传感器 梁晶，奚馨，纪伟，刘瑞丽* 上海交通大学电子系，上海 收稿日期：2019年10月28日；录用日期：2019年11月11日；发布日期：2019年11月18日 *通讯作者。

镍基碳材料的无酶电化学葡萄糖传感器研究的最新进展

THEORIES AND RESEARCH 1前言 碳的导电性和电化学稳定性良好，可提高电极与某些生物分子之间的电子传输效率，可应用于无酶电化学葡萄糖传感器的研究。本文以微晶石墨-掺硼金刚石（MG-BDD ）载体、石墨烯（GE ）载体、碳纤维（PCF ）载体和碳纳米管（CNT ）载体为例。 2微晶石墨-掺硼金刚石（MG-BDD ）载体 Ni 修饰的BDD 复合电极在葡萄糖检测中具有优异的电催化性能、长期的稳定性、较低的背景电流和良好的抗干扰性。 基于上述表征，Zejun Deng 等采用Ni 催化蚀刻BDD 薄膜，制备出镍-微晶石墨-掺硼金刚石（Ni-MG-BDD ）复合电极。不同尺寸的Ni 颗粒沉入BDD 薄膜的晶面和晶界，这不仅增加了电极的比表面积和电化学稳定性，而且在冷却过程中还将sp 3键合的金刚石催化成sp 2键合的微晶石墨。Ni-MG-BDD 复合电极对葡萄糖氧化具有优异的电化学性能，其线性范围覆盖0.002~0.5mM 和0.5~15.5mM ，灵敏度达1010.8μA mM -1cm -2和660.8μA mM -1cm -2，当信噪比为3时，检测限为0.24μA 。此外，电极具有显著的选择性、良好的再现性和长期的稳定性。 3石墨烯（GE ）载体 GE 的表面积大、导电性好且化学稳定 性好，具有独特的2D 结构。虽然合成具有改善传感性能的GE 负载的镍基纳米复合材料取得的进展很大，但是大多数合成方法仍然使用氧化石墨烯（GO ）作为GE 的前驱体。通 常，GO 的制备需要使用大量浓酸和强氧化 剂，这样会在大规模的生产中引起环境问题。此外，衍生自GO 的GE 通常是高度缺陷的，这样会大幅度地降低GE 的固有性质。 为了改良上述缺陷，Zhenyuan Ji 等[7]通过一种独特的一步法热合成策略，以金属油酸盐络合物为前驱体，以硫酸钠为模板，合成Ni 纳米粒子用于修饰GE 片。GE/Ni 纳米复合材料对葡萄糖具有良好的响应，其线性范围覆盖0.01~2.5mM ，灵敏度达388.4μA mM -1cm -2，检测限为0.79μM 。此外，未发现潜在干扰物质对电极的明显干扰。 4碳纤维（PCF ）载体 将碳基质引入金属氮化物是提高其电荷传导性能和电化学催化性能的有效方法。特别是那些具有特征性堆叠结构和分层多孔结构的碳基质，不仅能提高电子的传导性能，而且能促进活性中心的单分散，这样将极大地提高复合材料的电催化性能。 基于上述原因，Tingting Liu 等通过前体的氮化处理成功地将氮化镍纳米片（Ni 3N NSs ）分散在各种碳基质（如GE 、大孔碳、碳纳米管（CNT ）和中空碳纤维）上。与其他对照样品相比，Ni 3N-PCF 具有3D 空心和管状结构、丰富的微孔/大孔和大BET 表面积。由于Ni3N 的金属特性、PCF 的电导率和分级微孔/大孔组成的结构优势具有协同效应，与其他四个样品相比，Ni 3N-PCF 具有最佳的H 2O 2和葡萄糖检测性能。对于H 2O 2的检测，其线性范围覆盖0.001~2.08mM 和2.08~50.5mM ，灵 敏度达51.81μA cm -2mM -1 和38.32μA cm -2mM -1。对于葡萄糖的检测，其响应时间为1.7s ，线性范围覆盖0.001~1.75mM 和1.75~9.18 mM ，灵敏度达1620.31μA cm -2mM -1和856.4μA cm -2mM -1。此外，Ni 3N-PCF 的重复性和稳定性好，对于H 2O 2或葡萄糖检测的选择性显著。Ni3N-PCF 可用于检测血清中的葡萄糖浓度，效果理想。 5碳纳米管（CNT ）载体 CNT 的机械强度显著、化学性能良好、表面积大且导电性好，具有柔性的修复能力，这些性质使金属纳米颗粒（NPs ）与阳极表面之间的电子交换能更快速地进行。传感器的检测效率很大程度上取决于能以高灵敏度和显著的选择性结合目标分析物的活性位点的数量，因此可将CNT 与其他电化学活性材料结合用于葡萄糖检测。而作为催化剂的载体，多壁碳纳米管（MWCNTs ）调节玻璃C-Ni 纳米粒子电极能增强其对葡萄糖的电化学活性。这些NPs 具有广泛的应用，如固体吸附、传感器和生物传感器具有物质依赖性的高效电催化反应。 基于上述原理，Gaye Ba 拶kaya 等通过微波辅助法，合成功能化负载高单分散镍纳米颗粒的MWCNT ，修饰在玻碳电极上（Ni @f-MWCNT/GCE ）。与Ni NPs/GCE 电极的非酶促葡萄糖传感性能相比较，f-MWCNTs 电极增强了Ni 纳米粒子对葡萄糖氧化的电催化性能，其线性范围覆盖0.05~12mM ，检测限为0.021μM ，在第200次循环后，未观察到电极的安培信号有大的变化。 6结束语 镍基碳材料的无酶电化学葡萄糖传感 器具有良好的电化学性能，为新型无酶电化学葡萄糖传感器的制备提供了更广泛的思路。特别是碳纳米管（CNT ）机械强度显著，且可对糖类分子在电极上的催化氧化发挥加速作用，因此碳纳米管载体电极在检测葡萄糖时更加快速、灵敏和 稳定 。 孙思秦1，石晓钟2，胡海龙3，马国华3 （1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳621010） （2.西南科技大学国防科技学院，四川绵阳621010；3.西南科技大学分析测试中心，四川绵阳621010） 摘要：碳的导电性和电化学稳定性良好，可应用于无酶电化学葡萄糖传感器的研究。本文就微晶石墨-掺硼金刚石（MG-BDD ）载 体、石墨烯（GE ）载体、碳纤维（PCF ）载体和碳纳米管（CNT ）载体研究的最新进展，对镍基碳材料表征和制备方法的优势以及其在葡萄糖检测时的电化学性能进行了分析，为新型镍基碳材料的无酶电化学葡萄糖传感器的制备提供了更广泛的思路。关键词：镍基；碳；电化学；葡萄糖；传感器中图分类号：O657文献标识码：A 文章编号：1671-1602（2019）09-0110-01 第一作者简介：孙思秦（1998-），女，汉族，陕西省西安市，学生，大学本科，西南科技大学生命科学与工程学 院，研究方向：生物学、材料科学与工程。 -110-

葡萄糖酶传感器课程设计

生物医学传感器测量与信号处理 课程设计报告 姓名：孙盼 学号：200900172020 班级：生物医学工程

目录 一、设计题目 (4) 二、设计目的 (4) 三、设计内容 (4) 四、设计要求 (4) 1、引言 (4) 2、国内外现状分析 (5) 3、设计原理及逻辑框图 (6) 4、分析与讨论 (11) 5、结论（展望） (16) 6、设计心得体会 (16)

一、设计题目： 尼龙网为固定酶载体的葡萄糖传感器设计 二、设计目的： 1、掌握生物医学传感器的应用 2、熟悉传感器的一般结构，掌握简单传感器电路的设计方法。 3、通过设计，掌握一般葡萄糖传感器设计方法，熟悉葡萄糖检测的原理。 三、设计内容： 设计一个可以测量葡萄糖的生物传感器，主要是检测葡萄糖的浓度，可用于人体血糖、发酵罐内葡萄糖、部分实验室等场合的葡萄糖检测与控制 四、设计要求： 1、引言 葡萄糖是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛。纯净的葡萄糖为无色晶体，有甜味但甜味不如蔗糖，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。植物可通过光合作用产生葡萄糖。 葡萄糖有许多重要的作用。葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质。它的氧化反应放出的热量是人类生命活动所需能量的重要来源。葡萄糖在医学上主要用作注射用营养剂（葡萄糖注射液）；食品工业上葡萄糖经异构酶处理后可制造果糖，尤其是含果糖42%的果葡糖浆，其甜度同蔗糖，已成为当前制糖工业的重要产品。在食品、医药工业上可直接使用，在印染制革工业中作还原剂，在制镜工业和热水瓶胆镀银工艺中常用葡萄糖作还原剂。工业上还大量用葡萄糖为原料合成维生素C(抗坏血酸)。 葡萄糖可以作为身体健康状况的指标。如检测糖尿病，高血糖等疾病。临床上做糖尿病的诊断试验时，通常是测定静脉空腹血糖。当静脉空腹血糖<5.0mmol/L，可排除糖尿病；当静脉空腹血糖>7.0mmol/L并且有临床症状时，则可以诊断为糖尿病；而当静脉空腹血糖在5.5～7.0mmol/L之间并且怀疑糖尿病时，要做进一步实验，早期发现糖代谢异常，早期诊断糖尿病。一旦血糖下降到80毫克%时可能出现糖尿现象。国家规定，用葡萄糖酸的钾、钠、钙、锌、铜、铁、锰等作为人体营养强化剂及药用

生物传感器在医学上的应用

生物传感器在医学上的应用 [摘要]：生物传感器作为一项新兴的科学技术已应用于医学检验分析领域中, 是近来国际上医学检测技术的热点之一[1]。生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测等特点[2]。本文综述了生传感器的基本概念、基本原理、特点、分类，并对国内外近几年光学、电化学和压电3种生物传感器及其应用。 [关键词] 生物传感器医学应用发展前景 1、引言 传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置, 如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统,通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息, 通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激。而生物传感器是一类特殊的传感器, 它以生物活性单元( 如酶、抗体、核酸、细胞等) 作为生物敏感单元, 对目标测物具有高度选择性的检测器。生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测, 特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点, 使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。特别是分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合, 正改变着传统医学、环境科学、动植物学的面貌。生物传感器的研究开发, 已成为世界科技发展的新热点, 形成21 世纪新兴的高技术产业的重要组成部分, 具有重要的战略意义[2]。 2、生物传感综述 2. 1 生物传感器的基本概念[3] 生物传感器是用固定化的生物活性材料( 酶、蛋白质、DN A、抗体、抗原、生物膜等) 与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科, 是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法, 也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下共同的结构: 包括一种或数种相关生物活性材料( 生物膜) 及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器( 传感器) , 二者组合在一起, 用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工, 构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。 2. 2 生物传感器的工作原理及特点[3]

纳米孔生物传感器研究 - 东南大学

东南大学 seminar课程简介 课程名称纳米孔生物传感器研究（Nanopore biosensor research） 任课教师刘全俊工作单位生医学院职称教授 Email 联系电话 任课教师教学科研简介： 任课教师自1999年研究生毕业后在东南大学生物科学与医学工程学院任教，同年进入分子与生物分子电子学教育部重点实验室（现生物电子学国家重点实验室）从事科研与教学工作。2004年、2005年分别赴香港中文大学与匈牙利科学院作短期访问研究，并于2010年赴美国斯坦福大学进行了为期一年的访问学者的研究工作。2008年获全国百篇优秀博士学位论文奖，2009年入选教育部“新世纪优秀人才计划”，江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人，江苏省生物技术协会第六届理事。 作为项目负责人，近年来已经主持完成国家自然科学基金项目2项（60341002，60671019），国家863高技术项目2项（2003AA2Z2070，2012AA02A103），中匈政府科技合作项目1项（CHN26/2006），国际合作项目1项（2009DFA32750），江苏省科技攻关项目2项，南京市科技攻关项1项。目前在研国家自然科学基金项目1项（61071050）,国家重大基础研究计划项目973子课题1项（2011CB707605-01）。发表论文30余篇，参与编写专著2部，参与翻译专著1部，申请专利二十余项.其中国际发明专利1项,已授权专利十余项。

主要研究方向为新一代基因测序、基因芯片、生物与化学传感器、单分子检测研究。近年集中在纳米孔生物传感器、纳米孔单分子检测器件、新型单分子检测系统的专项研究。已经建立完成了纳米孔基因测序系统测试平台，纳米孔加工技术及信号分析基础软件。 课程简介（含对学生基础的要求等,特别注明拟上课所在校区）：本课程是一门研讨（Seminar）课程，主要是为对纳米孔生物传感器研究有兴趣的学生开设的参与讨论、表达自己观点的课程。它将提供适当的研究素材，组织修课学生就基于纳米孔生物传感器的单分子检测研究的热点问题，进行主动思考、探索或研究。 本课程的教学目标：着重培养学生科学的思维方法和研究方法，有效拓宽学生跨学科的知识面，培养学生根据所研讨的课题进行调研、查阅资料、提出解决问题的思想、方法和技术路线等的能力，同时通过研讨培养学生的表达和交流能力。 本课程面向全校学生，特别欢迎生物、医学学科以及对纳米孔传感器和单分子检测技术有兴趣的学生参加，班级规模为20人左右。拟在四牌楼校区上课。 教学设计方案： 本课程选取纳米孔生物传感器研究领域的前沿科学创新，介绍纳米孔测序技术的起源，阐明该技术发展过程中的优缺点，及其未来发展方向和函待解决的科学难题。 本课程的总学时为32学时（其中6学时为课堂讲授，10学时为课堂讨论，16学时为课外学时，用于学生准备课题讨论所做的查阅资料等自学活动）。

电化学葡萄糖传感器研究进展_吴爱坪

2015年第23期 科技创新科技创新与应用 电化学葡萄糖传感器研究进展 吴爱坪 （国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215000） 葡萄糖检测在医学、食品、生物技术及工业等领域有着广泛的应用，例如在医学上，常用电化学葡萄糖检测试条对病人血液、尿液或是唾液中的葡萄糖进行检测，从而指导饮食调节或是调整糖尿病用药，有助于糖尿病病情的治疗与控制；在食品方面，葡萄糖常见的碳水化合物，分析食品中（如饮料、果汁等饮品中）的葡萄糖含量也十分必要；葡萄糖含量的多少对微生物的发酵过程也有一定的影响；此外葡萄糖电化学传感器也用于检测工业废水中葡萄糖的含量。采用电化学传感器检测葡萄糖，其线性检测范围宽、灵敏度高、成本比较低，近年来，获得快速发展，已成为目前研究和应用最多的生物传感器。 1电化学酶传感器 酶传感器一般是由固定化酶和电极组合构建而成。利用酶的高度专一性及催化性，将酶作为生物传感器的敏感元件，从而实现生物分子，如糖类、醇类、有机酸化合物、氨基酸化合物的浓度检测。用于葡萄糖检测的酶常为葡萄糖氧化酶。根据检测过程中传感器的电荷传递机理不同，主要有以下几种类型的电流型葡萄糖传感器。 1.1氧气作为电子传递介体 在葡萄糖氧化酶存在的条件下，葡萄糖和氧气反应生成葡萄糖酸和双氧水，葡萄糖浓度的变化与双氧水或是氧气的浓度变化成线性关系。采用电化学方法检测过氧化氧的浓度和氧浓度可实现葡萄糖浓度的检测。张彦等采用壳聚糖固定化葡萄糖氧化酶生物传感器测定葡萄糖的含量，通过电极检测氧气消耗量，并依据反应中消耗的氧气与葡萄糖的浓度成正比的关系，建立了检测葡萄糖含量的电化学方法[1]。由于这类传感器借助于中间物质氧气或是双氧水，极易受检测环境的影响，如氧气不足时，难以对高浓度的血糖进行测定；双氧水浓度过高还容易导致酶的失活[2]。 1.2利用电子媒介体代替氧气作为电子受体 电子媒介体，是指能将酶反应过程中产生的电子从酶反应中心转移到电极表面，从而使电极产生相应电流变化的分子导电体。其克服了葡萄糖酶传感器受氧气限制的缺点。电子媒介体能够使电子在酶的氧化还原中心与工作电极表面之间进行快速、往复传递。常见的电子媒介体有有机染料、二茂铁及其衍生物、醌及其衍生物、四硫富瓦烯、富勒烯及导电有机盐等。陈国松等用电子媒介体硒杂二茂铁制备得到的葡萄糖电极[3]；莫昌莉等以蔡酚绿B为介体制备葡萄糖传感器，加入葡萄糖标准溶液前后对蔡酚绿B进行循环伏安扫描，根据蔡酚绿B氧化峰的电流值与葡萄糖浓度成正比从而实现葡萄糖的定量测定[4]。 1.3无介体传感器 其主要特点就是不经过酶与电极间电子交换，酶自身与电极之间直接进行电子转移。由于氧化还原活性中心深埋在葡萄糖氧化酶的分子内部，电子无法与电极表面以足够快速率进行转移，因此增强电子转移速度、缩短其与电极的距离是无介质传感器的研究热点。通常主要通过将酶共价键合在修饰电极表面、或将酶固定在导电聚合物修饰电极表面，达到酶催化反应的专一和高效。蔡称心等利用吸附的方法将葡萄糖氧化酶固定到CNT/GC电极表面，形成GOx-CNT/GC电极，通过葡萄糖氧化酶的直接电子转移实现葡萄糖的检测[5]，Xinhuang Kang等采用葡萄糖氧化酶-石墨烯-壳聚糖修饰电极实现葡萄糖的直接电化学检测，借助于石墨烯的高比表面积和高导电性，实现葡萄糖氧化酶在电极表面的高吸附量，并加快了葡萄糖氧化酶与电极之间的电子传递速度[6]。 2电化学非酶传感器 酶的活性容易受到外界环境影响这一缺点限制了酶传感器的应用，通过在电极上修饰对葡萄糖有催化作用的材料构建非酶葡萄糖传感器越来越引起人们的关注。常见的用于构建非酶葡萄堂传感器的材料主要有金属纳米材料如Au、Ag、Pt等、金属合金如Pt-Pb、金属纳米氧化物纳米CuO等、碳纳米管、石墨烯、聚合物膜、水滑石等。非酶葡萄糖传感器克服了酶容易失活这一缺点，表现出良好的重现性及稳定性。 纳米材料由于其尺寸效应等具备良好的催化性能，越来越广泛应用于电化学传感器的研究中。丁海云等将制备了Cu纳米粒子修饰电极，其与大粒径的Cu粒子修饰电极相比较，Cu纳米粒子修饰电极对葡萄糖的检出限更低[7]，罗立强等制备氧化铜－石墨烯纳米复合物修饰电极，测定人血清样品，其结果与生化分析仪得出的结果基本一致[8]。特殊形状的纳米结构性能更佳，王蕊通过电沉积的方法在金电极表面制备了具有三维Pt-Pb“纳米花”状纳米结构，其电活性面积和电催化活性都有极大的提高，且稳定性和选择性也很好[9]。黄新堂等制备钛基底上镍－铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极CN101598697A。 电极表面的聚合物膜可以消除干扰，提高电极选择性。俞建国等制备的修饰过氧化聚吡咯膜的微镍电极用于葡萄糖的检测，有效的减少了常见的干扰物质（如抗坏血酸、尿酸）对检测结果的干扰，提高修饰电极的稳定性[10]。 3结束语 酶传感器具有高度的专一性，非酶传感器具备良好的稳定性，两者均具备自己的优势，无论哪种传感器，其最终目的是实现葡萄糖传感器的高效、专一、长期检测。未来在酶传感器的酶的活性保持及非酶传感器的专一性等方面的研究将会是葡萄糖电化学传感器的研究热点。 参考文献 [1]张彦，等.壳聚糖固定化葡萄糖氧化酶生物传感器测定葡萄糖的含量[J].分析化学，2009，37（7）：1049-1052. [2]Guilbault G Q Lubrano G G.An enzyme electrode for ampero－metric determination of glucose[J].Analytica ChimicaActa，1973，64（3）：439-455. [3]陈国松，等.CN102297886A[P].2011 [4]莫昌莉，等.以蔡酚绿B为介体的葡萄糖生物传感器[J].化学传感器，2003，23（1）：26-31. [5]蔡称心，等.碳纳米管修饰电极上葡萄糖氧化酶的直接电子转移[J].中国科学（B辑），2003，33（6）：511-518. [6]Xinhuang Kang，等.Glucose Oxidase-graphene-chitosan modified e lectrode for direct electrochemistry and glucose sensing[J].Biosensors and Bioelectronics，2009，25：901-905. [7]丁海云，等.纳米铜修饰玻碳电极的制备及其对葡萄糖的催化氧化[J].分析化学，2008，36（6）：839~842. [8]罗立强，等.CN102520035A[P].2012. [9]王蕊.Pt-Pb纳米花修饰无酶葡萄糖传感器的研究[D].天津大学材料学院，2010. [10]俞建国，等.高选择性的镍基无酶葡萄糖微传感器的研制及应用[J].分析化学，2008，36（9）：1201-1206. 摘要：电化学传感器法检测葡萄糖是葡萄糖检测的常见方法，广泛应用于临床检测、食品生产、生物技术、发酵控制等领域，文章介绍了葡萄糖电化学传感器的常见类型及其工作原理，并对其优缺点进行了简单分析。 关键词：葡萄糖；电化学传感器；研究分析 63 --

纳米生物传感器研究进展及其应用

纳米生物传感器研究进展及其应用

纳米生物传感器的研究进展及其应用 张雯歆 【摘要】：随着纳米技术在生物传感器领域的不断引入，纳米生物传感器在灵敏度的提高，检测限的降低，线性检测范围的拓宽以及响应时间的缩短等方面的性能得到了很好的改善。本文主要对纳米颗粒、纳米纤维、纳米管以及纳米量子生物传感器在酶、免疫以及DNA等生化领域检测方面应用的研究进展进行简单的概述。 【关键词】：纳米材料生物传感器应用 Advances of Research on application of Nano-materials in biosensors 【Abstract】：With the development of nanotechnology , the unique properties of nano-materials realize an objective to improve sensitive sensor with a wide linear range, a highly reproducible response, long-term stability and so on. The application of nano-materials (such as nanoparticle, nanofiber, nanotube) in biosensor fields introduced. The development of this field prospected in the future. 【Keywords】:nano-materials; biosensors; application 纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术，在这两者之间存在着许多技术交叉，其中，纳米生物传感技术已然引起了研究领域的广泛关注。 生物传感器是一类特殊形式的传感器，由固定化的生物敏感材料作为识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器及信号放大装置构成,具有接受器与转换器的功能,从而能够检测多种生命和化学物质。纳米技术主要是针对尺度为1 nm～100 nm之间的分子世界的一门技术。该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域，因此有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、微尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。纳米技

生物传感器在医学领域中的应用

医学检验需要建立各种快速检验方法，传统检验方法以实验室方法为主，包括一系列繁琐的操作过程，而且周期长，远远不能适应临床的需要，生物传感器的出现导致了分析生物学技术的一场革命，分析生物学从“半定量”向精确定量和自动化操作过程的转换。生物传感器是基于生物反应进行检测的一类特殊的化学传感器，它是以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、微生物、细胞、组织等)作为生物敏感基元，对被测样品具有高度选择性的检测器，它通过各种化学、物理信号转换器捕捉目标与敏感基元三向的反应，然后将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出被检测品的浓度。由于生物传感器为临床检验提供了一条快速、操作简便的新型手段，已引起检验医学界的关注。 生物传感器是由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术，是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置[1]，主要用于生物医学信息的检测。 1962年英国学者Clark和Lyons最先提出，可以将酶反应的高度特异性和电极响应的高度灵敏结合起来，由此提出酶电极概念[2]。1967年，updike和Hicks成功的研制出第一个以铂电极为基本的葡萄糖氧化酶传感器[3]。70年代，相继出现了电流型和电位型微生物电极、组织电极、线粒体电极。80年代，利用生物反应的光效应、热效应、场效应和质量变化而开发的生物传感器蓬勃发展，开始了生物电子学传感器的新时代。我国的生物传感器就始于这一时期：1988年梁逸曾将其全面系统地介绍给了国内化学界[4]。90年代，虽然我国生物传感器的某些研究项目处于国际领先地位，但目前国内尚无真正商品化的传感器面市，总体研究水平与国际上还有一段差距。到目前为止，生物传感器大致经历了3个发展阶段：第一代生物传感器是由固定了生物成分的非活性基质膜和电化学电极组成；第二代生物传感器是将生物成分直接吸附或共价结合到换能器表面，而无需非活性的基质膜，测定时不必向样品中加入其它试剂；第三代生物传感器是把生物活性成分直接固定在电子元件上，它们可以直接感知和放大界面物质变化，从而把生物识别和信号转换处理结合在一起。 1 生物传感器的工作原理及结构生物传感器的检测原理：待测物质进入生物活性材料(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电、声、光等信号[5]。再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。传感器的结构一般由两部分组成，其一是生物分子识别元件(感受器)，是指将一种或数 生物传感器在医学领域中的应用 鲁然 [关键词] 生物传感器；医学领域 咱相关生物活性材料固定在其表面(也称生物敏感膜)；其二是能把生物活性表达的信号转换为电、声、光等信号的物理或化学换能器，二者结合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。 2 生物传感器的分类及特点2.1 生物传感器的类型 生物传感器的类型和命名方法比较多而且不一，主要有两种分法即按分子识别元件分类和按换能器类型分类，两种方法如图1[6]。 2.2 生物传感器的特点 ①采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。②专一性强(选择特异性强)，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。③分析速度快，可以在一分钟得到结果。④准确度高，一般相对误差可以达到1%。⑤操作系统比较简单，容易实现自动化分析。⑥成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。⑦有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生，能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物产率的方向。 3 在医学领域中的应用分子生物传感器可以广泛应用于对体检中的微量蛋白、小分子有机物、核酸等多种物质的检测。在现代医学检验中这些项目是临床诊断及病情分析的重要依据，能够在体内的实时监控生物传感器对于手术中和重症监护的病人很有帮助。 3.1 酶传感器的应用 酶传感器是由固定化酶作为敏感元件的生物传感器。应用酶传感器可以省去提纯酶的复杂步骤。许多酶传感器都可以用于临床生化指标(葡萄糖、乳酸、尿素、尿酸、肌酸、肌酐、谷氨酰胺、血清中总蛋白、血清中胆固醇、血清中甘油三脂、天 作者单位：071000 河北保定252医院检验科 (鲁然) 图1 生物传感器的分类