电化学生物传感器.doc

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1、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, 北京100080E 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:(07/0820359203biosensorsCAI Xin 2xia , L I Hua 2qing , RAO Neng 2ga

2、o , 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 c

3、an 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 ,

4、 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、易及

5、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

6、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953Micro 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, 该信号及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, 从而及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及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

7、器研发和应用由各种生物分子(酶、抗体、受体或全细胞 及电化学转换器(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. 50. 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

8、感器(LAPS 13, 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; 产生的电位信号及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

9、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 进行检测, 取样量为100L 全血, 由于价格昂贵, 市场仅限于医院生化实验室6。 图1用微机械加工技术和电化学自组装技术装备的电化学生物传感器 图2微型两电极电化学传感器对多次加入乳酸的响应54电化学生物传感器研究展望今后, 及人类生活、健康有关的各类生物传感器有望得到较大的发展, 运用M EMS 技术进行

10、各类新型生物传感器及其便携式测试系统的研制, 使保健、疾病诊断、食品检测、环境监测不仅在生化分析实验室进行, 还能向个人、家庭和现场检测发展, 电化学生物传感器将是这类极有前途和亟待研发的生物传感器。参考文献:1周仲柏, 柳文军. 二氧化碳和氧气的快速电化学方法联合测定J.分析化学,1997,25(6 :6352639.63微纳电子技术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. 传感器研究发展动向(上、下 J.科学中国人,1997,7:15217;1997,8:46249.3韩泾鸿, 梁卫

11、国, 张虹, 等. 生物化学微阵列光寻址传感器系统研究J.中国学术期刊文摘,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, 74,9082914.5CAI X , COOPER J M , K LAU KE N , et al. Bio 2electrochemicalch

12、aracterization of micromachined two 2electrode 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 :1732176. 6FERMANN G J , SU YAMA J. Point of care testing in theemergency de

13、partment J.The Journal of Emergency Medicine , 2002, 22(4 :3932404.作者简介:蔡新霞(19412 , 博士、研究员。1988年毕业于北京理工大学电子工程系,1991年在中科院半导体所获硕士学位后到中科院电子所工作。1995年在日本东京工业大学生命科学及信息系做客座研究员,1998年赴英国G lasgow 大学电子及电机工程系生物电子中心攻读博士学位, 2001年获博士学位后回中科院电子所工作。自80年代末以来主要从事生化传感器及其微分析系统研究。(上接第358页低, 微流路芯片将很快进入实用化的发展阶段。该研究只是初步的工作。比

14、较简单, 线条密度小, 艺过程, 。这一研究工作的顺利完成, 困难, 积累了研究工作经验, 为提高该领域内的研究水平以及为高密度和多功能微流路芯片的开发奠定了基础。参考文献:1马立人, 将中华. 生物芯片(第二版 M .北京:化学工业出版社,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 ad

15、ditive J.Methods in Molecular Biology , 2001,162:2592275.4PAEGEL B M , et al . High throughput DNA sequencing with amicrofabricated 962lane capillary array electrophoresis bioprocessor J.PNAS , 2002,99(2 :5742579.5L ICHTENBERG J , et al . Combination of sample pre 2concentra 2tion and capillary electrophoresis on chip A .Proceedings of theTAS 2000Symposium C, Enschede , NL ,2000, 3072310. 作者简介:伊福廷(19642 , 男, 吉林省人, 博士学位, 副研究员, 专业为精密仪器, 同步辐射, 研究工作有L IGA 技术, 同步辐射X 光亚微米光刻,MEMS 技术, 纳米岛光刻技术, 生物芯片技术等。163Micro 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8 / 8