电化学生物传感器.

电化学生物传感器

蔡新霞, 李华清, 饶能高, 王利, 崔大付

(中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地, 北京100080

E 2mail :. ac. cn

摘要:介绍了电化学生物传感器的分类、基本测试原理和研究进展, 该类传感器可对多种生化参数

进行直接实时动态检测, 基于微机电系统(M EMS 加工技术和微电子IC , 电化学传感器在向着微型化、集成化方向发展。关键词:生物传感器; 电化学器件; M EMS 技术; 中图分类号:TP212文献标识码:(07/0820359203

biosensors

CAI Xin 2xia , L I Hua 2qing , RAO Neng 2gao , WAN G Li , CU I Da 2fu

(S tate Key L ab of T ransducer Technology (North Base ,

Instit ute of Elect ronics , Chi nese Academy of Sciences , Beiji ng 100080, Chi na

Abstract :The system , principle and research progress of electrochemical biosensors were introduced. The electrochemical biosensors can be used for real time detection to various biochemical molecules and would take development on microsystem and integration using M EMS and IC technologies. K ey w ords :biosensors ; electrochemical devices ; M EMS technology ; integration

1引言

第一个商业化的生物传感器于1972年由Y el 2low Springs 仪器公司制造, 之后又由Leeds , Northrup 和Beckman 仪器公司相继推出, 这些传感器均用于血糖和尿糖检测的电化学传感器。80年代新型的生物传感器在实验室取得了科研进展, 商家

对生物传感器种类进一步扩展, 相继出现了离子选择电极血气和血电介质传感器、有毒气体和易燃气体传感器、ISFET 2p H 计, 其中电化学传感器占多数;90年代以来, 微机电系统(M EMS 加工技术使该类传感器及其生化分析仪器进一步向小型化、数字化和高可靠性发展, 如Minimed ,Lifescan ,Medi 2sense 公司采用M EMS 技术生产的血糖微型检测仪比信用卡还要小, 且具有连续监测、数据存储、便于

病人直接使用、易与医院联网等功能。电化学传感器在生化传感器研发及其商业化领域中处于重要地

位, 该传感器种类繁多, 可广泛应用于医疗保健、食品工业、农业、环境等领域。

2测试原理

电化学传感器主要由识别待测物的敏感膜和将生物量转化为电信号的电化学转换器两部分组成, 根据产生的电信号类别, 可将其分为电流型和电位型两大类。电流型传感器主要基于探测生物识别或化学反应中的电活性物质, 通过固定工作电极的电位给电活性的电子转移反应提供驱动力, 探测电流随时间的变化, 该电流直接测量了电子转移反应的速度, 反映了生物分子识别的速度, 即该电流正比于待测物质的浓度。电位型传感器将生物识别反应转

收稿日期:2003205215

基金项目:由国家高技术研究发展计划项目(2002AA404510, 2002AA302106 、国家自然科学基金项目(60276039 、教育部留学回国人员科研启动基金、人事部留学人员科技活动择优经费项目资助

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53Micro nano ele ctro nic F e ch no lo gy /J uly ～Augus t 2003

微纳电子技术2003年第7/8期

换为电信号, 该信号与生物识别反应过程中产生或消耗的活性物质浓度对数成正比, 从而与待测物质浓度的对数成正比。电位型离子选择电极的选择性渗透离子导电膜可设计成与待测离子相关的产生电位信号的敏感膜, 测试在电流为零的条件下进行。

3电化学生物传感器研发和应用

由各种生物分子(酶、抗体、受体或全细胞与电

化学转换器(电流型或电位型的电极组合可构成多种类型的电化学生物传感器, 其中生物分子识别的专一性决定了该传感器具有高度选择性。酶电极是最早研发的生物传感器, 将酶固定在电极表面, 探测电流型或电位型催化反应信号, 酶电极特性的关键技术。化还原酶、NAD +(葡萄糖、乳酸、乙醇、的检测, 产生的过氧化氢

和NADH 在0. 5～0. 8V (vs. Ag/AgCl 工作电压下很容易被检测; 另外加入电介体可进一步降低工作电位, 以减少样品中其他电活性物质的干扰。电位型酶电极利用离子敏电极、气敏电极、离子敏场效应管(ISFET 或光寻址电位传感器(LAPS [1～3], 通过检测生物催化反应导致的p H 变化、氧化还原电

位产生或消耗的离子(如N H +4 浓度或气体(O 2, CO 2 浓度来检测底物; 产生的电位信号与底物浓度的对数成正比。除了检测底物外, 利用酶电极中酶活性受各种有毒物质的抑制作用来检测有毒物质(氰化物、有毒金属、农药等。

通过固定全细胞可增加传感器的稳定性和易活化特性, 生化耗氧量BOD 传感器就是一种全细胞生物传感器, 它可对BOD 进行快速检测, 而传统的生化分析检测需要5天时间。免疫电化学生物传感器, 电流。

, 将主要依托于微机电的微米/纳米制造技术和微电子IC 制造技术, 具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、性能稳定等优点, 基于M EMS 技术我们成功地研制了微型电极(图1 , 通过进行酶固定化可对多种物质进行快速检测(图2 。I 2STA T 公司生产的便携式血气分析仪, 采用一次性集成生物传感器芯片可对血液中血气(CO 2, pO 2, p H , Na +, K +, Cl -等进行