电化学生物传感器在发酵领域中的应用

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1、万方数据第36卷2008年12月分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展ChineseJoumalofAnalyticalChemistry第12期1749～1755电化学生物传感器在发酵领域中的应用毛秀玲吴坚+应义斌(浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州310029)摘要本文综述了近10年来电化学生物传感器在发酵领域中的研究及应用。首先介绍了电化学生物传感器的基本原理及分类，然后对发酵领域中应用和研究最为广泛的酶电极以及微生物电极传感器进行了分类描述，并重点介绍和归纳了葡萄糖、乳酸、酒精以及甘油生物传感器的研究现状，集中探讨了两类传感器的抗干扰性与选择

2、性等特性。关键词电化学，生物传感器，发酵，葡萄糖，乳酸，评述1引言生物传感器已有四十多年的发展历史，而在近十年中，生物传感器技术更是有了飞的发展，并因其快速、准确、高选择性等检测特点在食品发酵等领域有了广泛的研究和应用。生物传感器由分子识别元件和信号转换器件两部分组成，分子识别元件所用的生物活性物质主要有酶、微生物、动植物组织、抗体和核酸等，而信号转换器则是将分子识别元件进行识别时产生的化学或物理变化转换成可用信号的装置，其中电化学信号转换器是最主要，也是研究最为成熟、应用最为广泛的一种⋯。利用电化学生物传感器进行与生化反应相关的有效成分的分析和有害物质的检测，

3、已在食品生产及安全监督领域，尤其是食品发酵工业的生产过程监控，产品品质分析等环节，获得了比较广泛的应用。发酵是利用微生物在相应的环境或食品原料中对有机物进行分解，从而按照各自生产需要进行生产和加工的活动。在近十年里有关发酵领域电化学生物传感器的研究相当大的部分集中在葡萄糖、乳糖、乳酸、苹果酸、酒精、甘油等一些在微生物发酵过程中常见反应物和产物的检测。而检测氨基酸一类的生物传感器主要是应用于生物质流，如血液、发酵液等。本文关注在发酵领域范围中的电化学生物传感器，并根据传感器的检测对象对近十年的研究文献进行了相关的分类，分析其基本原理和应用领域，以助于发展趋势的分析

4、和研究应用的深化。当电化学池中溶液的化学成分变化时，电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势差会随之发生变化，这样通过测定电流或电势的变化就可以获取溶液成分或相应的化学反应的变化信息。从原理来分类，电化学传感器主要有3种检测方法：电流法、电位法和阻抗法旧J。电流法是在电极上加上恒定电压作为溶液中电活性成分进行电子传递反应的外加动力，而流过电化学池的电流大小与溶液中电活性成分的浓度具有一定相关性，从而通过检测电流大小来分析相应被测物的浓度大小及变化。该法操作简单，且与电活性物质浓度关系的线性度较好旧J。电位法是在零电流的条件下，利用电极电位和浓度间的关系将被测离子的

5、活度转换为电极电位进行测定的一种电化学分析法。电位法在某种程度上可以看成电流法当其工作电流趋向无穷小的一种极限情况。阻抗法是在两个惰性电极上加上一定的交流电压并测定电极上电流变化从而测得与溶液成分变化相关的阻抗变化。该法简单、易行，但缺点在于其对溶液中成分的响应不具有选择性HJ。应用于发酵领域的电化学传感器主要为电流式和电位式两种。电化学生物传感器是在上述电化学传感器原理的基础上，以具有生物活性的物质作为识别元件，通过特定反应使被测成分消耗或产生相应化学计量数的电活性物质，从而将被测成分的浓度或活度变化转换成与其相关的电活性物质的浓度变化，并通过电极获取电流或电

6、位信息，从而实现了特定物质的检测。按照敏感元件所用生物材料的不同，电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等，其中酶电极在近十年来仍是发2008-06-03收稿；2008-08-22接受“本文系国家自然基金(No．30670535)、教育部“新世纪优秀人才支持计划”基金(NCET-07-0752)及浙江省科技计埘(No．2008C14077)资助项目．E-mail：wujian69@zju．oclu．cn；’j万方数据1750分析化学第36卷酵领域生物传感器的研究主流。根据所用的电子传递

7、剂的不同，电化学酶传感器可以分成三代，分别为采用氧气作为电子传递剂的第一代、采用人工电子传递剂(如二茂铁)的第二代和不需要电子传递剂，在电极和酶之间直接发生电子传递的第三代。在这三代电化学酶传感器中，采用人工电子传递剂的第二代酶电极性能较好，发展也较为成熟。第三代电化学酶传感器虽然已经提出多年，但是其蓑孵节图1第二代酶电极的电子转移机理Fig．1Electrontmnsferringmechanismofthesecondgenerationenzyme—basedelectrode研究进展不大。图1所示即为第二代酶电极的电子转移机理。2发酵领域的电化学生物传感

8、器2．1酶电极传感器2．