酶热传感器金盾酶GSE的制备及酶电化学传感器应用研究概述

发布时间：2024-10-06 16:10:21

金盾酶GSE的制备及酶电化学传感器应用研究概述

金盾酶（Golden Shield enzyme）又名“人源系统酶或抗氧化共生酶”。由知名酶工程学者左有权经过多年研究的一种新型人工模拟合成酶。因首次发现并利用金元素（Au）参与人体酶促反应，并能促进氧化还原蛋白质与电极之间的电子传递，有较强的催化活性，能将其与酶蛋白生物分子结合同时与多酶协同保持其生物活性的酶电催化而得名，于2017年公布的国内第三代酶电化学传感器创新技术。作为一类典型的生物大分子和特殊的催化剂 , 在生命过程中免疫细胞代谢、基因调控、疾病诊断等机体防御方面扮演着极其重要的角色，因此，左有权形象的比喻这种人工模拟合成酶为“细胞防护盾”和“肌体防御武器”。纳米金（Au）具有纳米表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应等物理特性，同时具有抗氧化性强 ,生物相容性好 , 较强的“绿色安全”的催化作用，能与多种生物大分子结合，且不影响其生物活性的生物学特性。纳米金（Au）的食用早在1983年世界卫生组织（FAO/WHO）食品添加剂法规委员会（CCFA）第十六次会议（荷兰海牙会议）正式将金（Au）列为食品添加剂范围，列为A表第310号。经日本厚声省，卫生所检验许可为食用。美国食品药物管理局FDA以及世界卫生组织WHO/联合国粮食组织FAO把金（Au）作为添加物或者当作膳食补充剂。

左有权领衔的科研团队通过基因工程、蛋白质工程和蛋白质化学修饰,人工酶模拟研究等生物化学技术应用。在研究超氧化物歧化酶(SOD)和SOD-like模拟物过程中发现其金属蛋白结构的亚基分子以特殊构象定位于电极表面 ,并深入研究氧化还原蛋白质的电子传递过程,寻找酶促体系的催化活性媒介体 ,提高酶促反应的效率，弄清其反应机理。通过长期反复实验研究，在成千上万种生物新材中最终选择一种特异、高效、稳定的非蛋白质结构的电催化剂-纳米活性金（Au）粒子作为超氧化物歧化酶（SOD）辅助吸收载体的实验获得成功，并采用蛋白质共价修饰交联法固定化技术原理，在电极表面，利用化学反应将蛋白质等生物活性材料的游离基团共价偶联到载体上而达到固定化目的.制备了SOD纳米活性金（Au）修饰电极并能在生物体内定位于酶的活性位点，纳米活性金（Au）粒子具有比表面积大、催化活性高、亲和力强的特点,用于固定SOD生物组分，实现了SOD生物大分子与电极之间电子转移，将SOD活性中心与电极距离缩短到1nm或使SOD的分子与电极表面活性基团键合,以形成电子传输通道。

经过大量理论和实践证明, SOD酶与金（Au)电极之间直接电子传递过程更接近生物氧化还原系统的原始模型,能提高氧化还原SOD酶与电极之间电子传递的速度和可逆程度，这就为SOD酶揭示生物氧化还原系统中电子转移机理奠定基础。

不同方向，生物传感器的研究进展；它们的性能存在着哪些差异？

导言

生物传感器是一类能够将生物物质浓度转化为可定量识别信号的器件，其构成包括识别元件、换能器和信号放大器。当待测物质进入识别元件时，会引发一系列物理或化学变化，产生光、电、热等信号，随后由换能器处理为可识别的光信号或电信号，最终通过信号放大器输出，实现对生物物质的检测与分析。本文将聚焦于MoS2纳米复合材料在不同类型传感器中的原理、进展，进行性能比较分析，并探讨其未来发展趋势，凸显其在生物传感器领域的前景。

电化学生物传感器的前沿探索

电化学生物传感器采用电极作为信号处理元件，用于接收、转换、放大和输出检测过程中的电化学信号，从而实现对目标物的检测。在MoS2纳米复合材料的应用中，主要利用氧化还原反应对目标物的浓度进行定量分析。对于酶电化学传感器，将酶固定在MoS2纳米复合材料表面，利用其较大的比表面积提供更多的活性位点，有效进行电子转移。此外，在无酶电化学传感中，MoS2纳米复合材料也可实现对待测物的直接电催化氧化，从而实现检测。

以Yoon等的研究为例，他们构建了AwMoS2电化学生物传感器，用于葡萄糖的检测。在该传感器中，葡萄糖氧化酶被固定在AuMoS2上，当GOx与葡萄糖结合时，引发氧气的氧化反应，产生过氧化氢和葡萄糖酸，从而增大了还原电流信号。因此，通过监测电流变化，可以实现对葡萄糖浓度的检测。

MoS2纳米材料的表面缺陷和比表面积等特性对其电催化性能具有重要影响，因此选择适当的MoS2纳米复合材料作为电催化剂对电化学传感性能的提升至关重要。科研人员发现MoS2与金属纳米粒子之间的协同作用是实现卓越电催化活性的关键因素。

举例来说，Su等研究团队构建了MoS2/AuNPs的葡萄糖生物传感器，其测量范围为3x10^-4-3x10^-5mol/L，检测限为2.8x10^-6mol/L。与此同时，Yoon等在柔性聚合物衬底上沉积了AuNPs，并首次构建了GOx/Au/MoS2柔性酶葡萄糖传感器。在这一设计中，MoS2促进了电子转移，Au增强了柔性衬底的导电性，进而增大了氧化还原峰电流，有效提高了葡萄糖的电化学检测信号，检测限降至10^-6mol/L。

与早期使用氧化锌纳米管、石墨烯碳纳米管的电化学葡萄糖传感器相比，MoS2纳米复合材料的应用将检测限降低了两个数量级。在无酶葡萄糖电化学传感器的研究中，Zhai等通过调节pH值、表面活性剂浓度和退火温度成功制备了MoS2纳米花电化学传感器，其检测范围为0-3x10^-2mol/L，灵敏度高达570.71μA·mmol/L。

进一步地，Zhai等将AuPs与MoS2复合，构建了性能更卓越的葡萄糖电化学传感器，其灵敏度提升至932μA·mmol/L。此外，Bao等在MoS2/AuNPs的基础上引入氧化铜纳米线，将葡萄糖的检测限降低至5x10^-3mol/L。与CuO/Cu电化学葡萄糖传感器相比，其灵敏度增加了110.81μA·mmol/L。

除了以上示例，Li等团队制备了Co/MoS2/CNTs葡萄糖电化学传感器，通过材料间的协同效应和高导电性，极大降低了检测下限，使其达到了8x10^-8mol/L。

总结而言，MoS2复合材料电化学生物传感器具备高灵敏度、高选择性、快速响应等优点，且操作简便，适用于连续监测。然而，由于识别元件的稳定性较低，需要繁琐的生物修饰流程和大量的生化

试剂，导致实验成本较高。未来的研究可以通过改变MoS2纳米材料的结构或功能化，以进一步增强信号、提高稳定性，并降低成本。这将有望开发出便携式、高灵敏度的生物传感器，满足实际应用的需求。

场效应晶体管生物传感器的前沿突破

场效应晶体管生物传感器由源极、漏极和栅极组成，通过对栅极施加偏压，实现电流的变化。研究人员不断探索MoS2FET生物传感器的应用，以实现对不同生物分子的检测。

以Zhang等的研究为例，他们构建了MoS2FET生物传感器，用于检测21三体综合症的DNA序列。在该传感器中，DNA被修饰在Au/MoS2通道材料表面。当DNA与互补的DNA链结合时，会降低MoS2通道材料与电极之间的肖特基势垒，从而使更多低能量的电子穿过通道。同时，施加在栅极上的偏压会引起MoS2通道材料的能带偏移，导致内部载流子浓度的变化，从而增强了漏端电流，通过监测FET电流变化来测定待测物的浓度。

这种MoS2FET生物传感器具有高灵敏度和特异性，可用于DNA序列的检测，为分子生物学研究提供了有力工具。

表面增强拉曼散射生物传感器的前沿突破

表面增强拉曼散射效应是一种光子与分子之间的非弹性散射光谱，可用于单分子检测。SERS理论包括物理电磁增强机制和化学增强机制。EM增强主要是通过金属表面的电子振荡产生局域表面等离子体共振来提高吸附在金属表面分子的SERS信号，而CM增强则涉及分子与基底材料之间的相互作用。

Mandvakar等构建了金-铂/MoS2SERS传感器，用于对甲基紫的检测。MoS2纳米材料具有丰富的活性位点，可吸附更多的CV，从而提供足够的电荷转移。金属表面上的电子振荡频率与MoS2纳米材料在光激发下吸收的光子能量相对应，因此，MoS2纳米复合材料表面的电子共振能在局域区域内诱发强电磁场，将能量转移给CV分子，增强拉曼信号，从而实现了检测。

MoS2纳米材料SERS生物传感器具有样品用量少、特异性强、无需特殊处理、检测限低等特点，可有效应用于早期疾病的监测与治疗。然而，SERS基底的亲和性和均匀性仍然是性能提升的制约因素。如何在操作简便、成本低廉的前提下实现高质量MoS2纳米复合材料的制备以及光学生物传感器的简化仍然是需要深入研究的关键问题。

比色生物传感器的新发展

比色法是一种利用有色物质对特定波长光的吸收特性进行定性分析的方法，分为目视比色法和分光光度法两种。目视比色法通过肉

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