一种酶电极系统及其应用技术方案

本发明专利技术公布了一种酶电极系统及其应用，所述酶电极系统包括工作电极、对电极和任选的参比电极；所述工作电极包括电极支撑基底和位于其上的导电基底，其中所述导电基底的表面和内部包含有葡萄糖脱氢酶、辅酶还原酶和任选的辅因子。本发明专利技术旨在通过葡萄糖还原酶、辅酶还原酶、辅因子共同组建了一个完整的酶电极系统用于样品中葡萄糖的检测。于样品中葡萄糖的检测。于样品中葡萄糖的检测。

【技术实现步骤摘要】
一种酶电极系统及其应用


[0001]本专利技术属于酶生物电催化
，具体涉及一种酶电极系统及其应用，尤其涉及一种用于葡萄糖检测的酶电极系统及其应用。

技术介绍

[0002]葡萄糖的检测在糖尿病和其他疾病的管理中至关重要。在过去的一个世纪里，葡萄糖传感器的发展使糖尿病患者能够有效地控制他们的疾病并挽救生命。利用电化学方法的葡萄糖检测仪因为其检测灵敏，采样少，是目前最广泛应用的检测方法。该商业化葡萄糖检测仪是一种便携式电化学生物传感器，为个人血糖控制提供快速定量的血糖水平。
[0003]电化学葡萄糖传感器依据电子转移媒介的不同，分为三代：
[0004]第一代葡萄糖传感器以酶促反应的产物H2O2或O2为电子媒介。该传感器依据溶液中氧浓度的变化值与葡萄糖呈线性关系，通过检测溶解氧的下降值来测定葡萄糖的含量。第一代葡萄糖传感器在灵敏度和选择性方面存在相当大的局限性，另一个重要缺点是使用氧气作为电子媒介，测定结果受空气中氧气浓度影响比较大。空气中氧气分压会影响溶液中氧气的浓度，进而影响测定结果的准确性。如溶液中O2缺乏时，响应电流明显变小，影响检测灵敏度。
[0005]第二代酶促葡萄糖生物传感器依赖于使用人工电子介质来介导GO
x
(葡萄糖氧化酶，flavin adenine dinucletide，FAD)循环，而不是依靠氧气作为介质将电子与酶活性位点之间传输。人造电子介质可以是直接附着在酶上或包埋在酶膜中的固定介质，能够扩散进出酶活性位点的溶液状态介质，或者能够将其电子与酶活性位点之间传输的氧化还原导电聚合物。适用于GO
x
的介质包括导电有机盐(特别是四硫富瓦烯
‑
四氰基喹诺二甲烷，TTF
‑
TCNQ)、二茂铁、醌化合物、铁氰化物、过渡金属配合物、吩噻嗪和吩噁嗪化合物。但该技术需要电子介质，而这些介质往往有生物毒性，容易扩散于泄露，不适合用于包埋体内或者接触身体粘膜进行实时葡萄糖监测。因此开发第三代无人工电子介质，或安全电子介质的酶体系，不受氧气浓度产生测量误差，对实时血糖监测设备开发尤为重要。
[0006]第三代酶促葡萄糖生物传感器依赖于直接能量传输(direct electron transfer,DET)，也就是酶的活性中心能直接与电极对话(传递电子给电极)。目前第三代葡萄糖传感器仍然停留在论文阶段，且在所有文献报道中，检测葡萄糖时还需要在检测溶液中通入氧气，类似第一代葡萄糖传感器的机理：
[0007]2FAD+O2→
2FAD++O
22
‑
。
[0008]由于GO
x
的活性中心深埋在厚厚的蛋白质中，跟电极的距离较大，要实现酶活性中心与电极的直接对话是不可能的。(其距离3A超过了电子隧穿距离1A)虽然J.J.Gooding等人设计的通过分子线来链接GO
x
的电极体系(来自Electrochemistry Communications,Volume 9,Issue 9,September 2007,Pages 2218
–
2223)，对葡萄糖的检测也是在无氧环境下实现的(如图1所示)。不过这种设计用到的分子线合成难度高，价格贵，容易受氧气浓度影响，当葡萄糖浓度较低时，检测误差大，且传感器的灵敏度与第二代的相比还是比较低
的。
[0009]酶使用的特殊性使得只有少数酶能用于第三代葡萄糖传感器，葡萄糖脱氢酶(glucose dehydrogenase,GDH)也可以用来催化葡萄糖反应，且相比于葡萄糖氧化酶，葡萄糖脱氢酶可以减少空气中、血液中氧气的干扰，因此是一个更为理想的葡萄糖检测酶。如下图所示，使用葡萄糖氧化酶时，在有氧与无氧的条件下，具有较大的检测值差异，特别是在人体正常血糖范围：4
‑
10mM之间，检测结果差异达到了50％。
[0010]葡萄糖脱氢酶的电子受体有PQQ、FAD、NAD(P)型。以PQQ型葡萄糖脱氢酶(醌蛋白GDH)为例，如果用它来构建葡萄糖传感器，发生如下反应：
[0011]glucose+PQQ(ox)
→
gluconolactone+PQQ9(red)
[0012]但是由于这类PQQ酶缺乏稳定性，且与天然葡萄糖氧化酶一样，有较宽的底物选择性，例如对血糖中的麦芽糖、木糖均有反应，导致测量结果存在较大误差，限制了它的大规模应用，美国食品和药物管理局FDA公共卫生通知：GDH
‑
PQQ血糖监测技术的潜在致命错误。因此，开发一种高选择性(仅对葡萄糖进行检测)，无毒(无人工电子介质)稳定，且检测限在人体血糖范围内：0
‑
30mM的检测方法具有很高的商业应用潜力。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的在于提供一种酶电极系统及其应用，所述酶电极系统包括电工作电极、对电极和任选的参比电极；所述工作电极包括电极支撑基底和位于其上的导电基底，其中所述导电基底表面或内部包含有葡萄糖脱氢酶、辅酶还原酶和任选的辅因子。本专利技术旨在通过葡萄糖还原酶、辅酶还原酶、辅因子共同组建了一个完整的酶电极系统用于样品中葡萄糖的检测。本专利技术所述酶电极系统不仅具有非常专一的底物选择性(仅针对葡萄糖)，无毒，无人工电子介质，稳定，且检测限在人体血糖范围内(0
‑
30mM)，具有很高的商业应用潜力。
[0014]一方面，本专利技术涉及一种酶电极系统，所述酶电极系统包括：
[0015]工作电极、对电极和任选的参比电极；
[0016]所述工作电极包括电极支撑基底和位于其上的导电基底，其中所述导电基底表面或内部包含有葡萄糖脱氢酶、辅酶还原酶和任选的辅因子。
[0017]另一方面，本专利技术涉及一种测定样品中葡萄糖浓度的方法，所述方法包括：
[0018]S1.准备含有葡萄糖的样品溶液；
[0019]S2.将所述样品溶液与所述酶电极系统的所述工作电极接触，由此产生通过所述样品溶液的电流；
[0020]S3.根据所述酶电极系统的测定值计算葡萄糖浓度。
[0021]另一方面，本专利技术涉及一种测定样品中葡萄糖浓度的系统，所述系统通过与含葡萄糖的样品溶液接触测定其中的葡萄糖浓度，
[0022]所述系统包括：
[0023]所述酶电极系统；以及
[0024]使所述酶电极的电极系统产生电流的电压装置；
[0025]测定所述电流的装置。
附图说明
[0026]图1为现有技术中酶促葡萄糖生物传感器的机理示意图。
[0027]图2为本专利技术所述酶电极系统的结构示意图。
[0028]图3为本专利技术所述FNR
‑
GDH酶电化学体系在体液模拟环境中对葡萄糖浓度(0
‑
15mM)的滴定检测；图3a显示了电流随时间变化的曲线；图3b显示了葡萄糖滴定浓度和反应电流的对应关系。
[0029]图4为在有氧和无氧环境下进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种酶电极系统，所述酶电极系统包括：工作电极、对电极和任选的参比电极；所述工作电极包括电极支撑基底和位于其上的导电基底，其中所述导电基底表面或内部包含有葡萄糖脱氢酶、辅酶还原酶和任选的辅因子。2.如权利要求1所述的酶电极系统，其特征在于，所述工作电极的表面微观结构为光滑平面、粗糙平面或多孔平面。3.如权利要求1或2所述的酶电极系统，其特征在于，所述辅因子选自NAD、NADP或者FAD中的一种或多种。4.如权利要求3所述的酶电极系统，其特征在于，所述辅因子的添加量为5pM到50mM，优选1μM
‑
50μM。5.如权利要求1或3所述的酶电极系统，其特征在于，所述葡萄糖脱氢酶选自NAD依赖型葡萄糖脱氢酶、NADP依赖型葡萄糖脱氢酶、或FAD依赖型葡萄糖脱氢酶中的一种或多种；优选NAD依赖型葡萄糖脱氢酶和/或NADP依赖型葡萄糖脱氢酶。6.如权利要求1或3所述的酶电极系统，其特征在于，所述辅酶还原酶为黄递酶。7.如权利要求6所述的酶电极系统，其特征在于，所述黄递酶为铁氧蛋白还原酶(FNR)。8.如权利要求1或2所述的酶电极系统，所述导电基底为选自ITO、石墨烯、碳纳米管、金电极、银电极、或掺杂纳米电极的导体或者半导体。9.如权利要求1或2所述的酶电极系统，其特征在于，所述导电基体优选为多孔结构，所述孔的直径为20
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100纳米，优选为50纳米。10.如权利要求1或2所述的酶...

【专利技术属性】
技术研发人员：范怡麟，
申请(专利权)人：深圳津合生物有限公司，
类型：发明
国别省市：