1、精選優質文檔-傾情為你奉上電化學生物傳感器蔡新霞, 李華清, 饒能高, 王利, 崔大付(中國科學院電子學研究所傳感技術國家重點實驗室北方基地, 北京E 2mail :xxcaimail.ie. ac. cn摘要:介紹了電化學生物傳感器的分類、基本測試原理和研究進展, 該類傳感器可對多種生化參數進行直接實時動態檢測, 基于微機電系統(M EMS 加工技術和微電子IC , 電化學傳感器在向著微型化、集成化方向發展。關鍵詞:生物傳感器; 電化學器件; M EMS 技術; 中圖分類號:TP212文獻標識碼:(07/biosensorsCAI Xin 2xia , L I Hua 2qing , RAO

2、 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 , Chi na Abstract :The system , principle and research progress of electrochemical biosensors were introduced. The electrochemical biosensor

3、s 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 ; integration1引言第一個商業化的生物傳感器于1972年由Y el 2low Springs 儀器公司制造, 之后又由Leed

4、s , Northrup 和Beckman 儀器公司相繼推出, 這些傳感器均用于血糖和尿糖檢測的電化學傳感器。80年代新型的生物傳感器在實驗室取得了科研進展, 商家對生物傳感器種類進一步擴展, 相繼出現了離子選擇電極血氣和血電介質傳感器、有毒氣體和易燃氣體傳感器、ISFET 2p H 計, 其中電化學傳感器占多數;90年代以來, 微機電系統(M EMS 加工技術使該類傳感器及其生化分析儀器進一步向小型化、數字化和高可靠性發展, 如Minimed ,Lifescan ,Medi 2sense 公司采用M EMS 技術生產的血糖微型檢測儀比信用卡還要小, 且具有連續監測、數據存儲、便于病人直接使用

5、、易與醫院聯網等功能。電化學傳感器在生化傳感器研發及其商業化領域中處于重要地位, 該傳感器種類繁多, 可廣泛應用于醫療保健、食品工業、農業、環境等領域。2測試原理電化學傳感器主要由識別待測物的敏感膜和將生物量轉化為電信號的電化學轉換器兩部分組成, 根據產生的電信號類別, 可將其分為電流型和電位型兩大類。電流型傳感器主要基于探測生物識別或化學反應中的電活性物質, 通過固定工作電極的電位給電活性的電子轉移反應提供驅動力, 探測電流隨時間的變化, 該電流直接測量了電子轉移反應的速度, 反映了生物分子識別的速度, 即該電流正比于待測物質的濃度。電位型傳感器將生物識別反應轉收稿日期:基金項目:由國家高技

6、術研究發展計劃項目(2002AA, 2002AA 、國家自然科學基金項目( 、教育部留學回國人員科研啟動基金、人事部留學人員科技活動擇優經費項目資助953Micro nano ele ctro nic F e ch no lo gy /J uly Augus t 2003微納電子技術2003年第7/8期換為電信號, 該信號與生物識別反應過程中產生或消耗的活性物質濃度對數成正比, 從而與待測物質濃度的對數成正比。電位型離子選擇電極的選擇性滲透離子導電膜可設計成與待測離子相關的產生電位信號的敏感膜, 測試在電流為零的條件下進行。3電化學生物傳感器研發和應用由各種生物分子(酶、抗體、受體或全細胞 與

7、電化學轉換器(電流型或電位型的電極 組合可構成多種類型的電化學生物傳感器, 其中生物分子識別的專一性決定了該傳感器具有高度選擇性。酶電極是最早研發的生物傳感器, 將酶固定在電極表面, 探測電流型或電位型催化反應信號, 酶電極特性的關鍵技術。化還原酶、NAD +(葡萄糖、乳酸、乙醇、 的檢測, 產生的過氧化氫和NADH 在0. 50. 8V (vs. Ag/AgCl 工作電壓下很容易被檢測; 另外加入電介體可進一步降低工作電位, 以減少樣品中其他電活性物質的干擾。電位型酶電極利用離子敏電極、氣敏電極、離子敏場效應管(ISFET 或光尋址電位傳感器(LAPS 13, 通過檢測生物催化反應導致的p

8、H 變化、氧化還原電位產生或消耗的離子(如N H +4 濃度或氣體(O 2, CO 2 濃度來檢測底物; 產生的電位信號與底物濃度的對數成正比。除了檢測底物外, 利用酶電極中酶活性受各種有毒物質的抑制作用來檢測有毒物質(氰化物、有毒金屬、農藥等 。通過固定全細胞可增加傳感器的穩定性和易活化特性, 生化耗氧量BOD 傳感器就是一種全細胞生物傳感器, 它可對BOD 進行快速檢測, 而傳統的生化分析檢測需要5天時間。免疫電化學生物傳感器, 電流。, 將主要依托于微機電 的微米/納米制造技術和微電子IC 制造技術, 具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、性能穩定等優點, 基于M EMS 技術我們成功地研

9、制了微型電極(圖1 , 通過進行酶固定化可對多種物質進行快速檢測(圖2 。I 2STA T 公司生產的便攜式血氣分析儀, 采用一次性集成生物傳感器芯片可對血液中血氣(CO 2, pO 2, p H , Na +, K +, Cl -等 進行檢測, 取樣量為100L 全血, 由于價格昂貴, 市場僅限于醫院生化實驗室6。 圖1用微機械加工技術和電化學自組裝技術裝備的電化學生物傳感器 圖2微型兩電極電化學傳感器對多次加入乳酸的響應54電化學生物傳感器研究展望今后, 與人類生活、健康有關的各類生物傳感器有望得到較大的發展, 運用M EMS 技術進行各類新型生物傳感器及其便攜式測試系統的研制, 使保健、

10、疾病診斷、食品檢測、環境監測不僅在生化分析實驗室進行, 還能向個人、家庭和現場檢測發展, 電化學生物傳感器將是這類極有前途和亟待研發的生物傳感器。參考文獻:1周仲柏, 柳文軍. 二氧化碳和氧氣的快速電化學方法聯合測定J.分析化學,1997,25(6 :.63微納電子技術2003年第7/8期Micro nano ele ctro nic F e ch no lo gy /J uly Augus t 20032崔大付. 傳感器研究發展動向(上、下 J.科學中國人,1997,7:15217;1997,8:46249.3韓涇鴻, 梁衛國, 張虹, 等. 生物化學微陣列光尋址傳感器系統研究J.中國學術期

11、刊文摘,2001,7(11 :TP212.4CAI X X , K LAU KE N , G L IDL E A , et al. Implementation ofpicolitre volume amperometriclactatemeasurementsusingmicrosystems technology J.Analytical Chemistry , 2002, 74,.5CAI X , COOPER J M , K LAU KE N , et al. Bio 2electrochemicalcharacterization of micromachined two 2elec

12、trode cell sensorsA .Special Issue :Proc of the Int Conf on Micro &Nano Systems , 2002(ICMNS 2002 C.Kunming , China ; Int J of NonlinearSciences and Numerical SimulationJ.2002, 3(324 :. 6FERMANN G J , SU YAMA J. Point of care testing in theemergency department J.The Journal of Emergency Medicine

13、 , 2002, 22(4 :.作者簡介:蔡新霞(19412 , 博士、研究員。1988年畢業于北京理工大學電子工程系,1991年在中科院半導體所獲碩士學位后到中科院電子所工作。1995年在日本東京工業大學生命科學與信息系做客座研究員,1998年赴英國G lasgow 大學電子與電機工程系生物電子中心攻讀博士學位, 2001年獲博士學位后回中科院電子所工作。自80年代末以來主要從事生化傳感器及其微分析系統研究。(上接第358頁低, 微流路芯片將很快進入實用化的發展階段。該研究只是初步的工作。比較簡單, 線條密度小, 藝過程, 。這一研究工作的順利完成, 困難, 積累了研究工作經驗, 為提高該領

14、域內的研究水平以及為高密度和多功能微流路芯片的開發奠定了基礎。參考文獻:1馬立人, 將中華. 生物芯片(第二版 M .北京:化學工業出版社,2002.2XIE W , YAN G R , et al . Mirochip 2based capillary electrophore 2J., 2001, 162:6723K R , CHEN G J. DNA fragment sizing by ca 2pillary electrophoresis with glycerol as an additive J.Methods in Molecular Biology , 2001,162:.4PAEGEL B M , et al . High throughput DNA sequencing with amicrofabricated 962lane capillary array electrophoresis bioprocessor J.PNAS , 2002,99(2 :.5L ICHTENBERG J , et al . Combination of sample pre 2concentra 2tion and capillary electrophoresis on chip A .Proceedings of theTA