冠隆醫(yī)療kwanlon2025-04-07

常見的電化學(xué)生物傳感器有哪些？

電化學(xué)生物傳感器是結(jié)合電分析化學(xué)和生物傳感的一類新興電子設(shè)備，它是以生物材料作為敏感元件，以固體電極、氣敏電極或者離子選擇性電極等基礎(chǔ)電極作為轉(zhuǎn)換元件所構(gòu)成的一類生物傳感器。根據(jù)各自的輸入和輸出信號(hào)，電化學(xué)生物傳感器可分為伏安/安培法、阻抗法、電位法、光電化學(xué)法和電化學(xué)發(fā)光生物傳感器。

電化學(xué)生物傳感器通過將生物識(shí)別元件（如酶、抗體、DNA）與電化學(xué)換能器結(jié)合，檢測(cè)目標(biāo)物并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（電流、電壓或阻抗）。以下是常見類型及其應(yīng)用：

一、按生物識(shí)別元件分類

1.1酶基傳感器
- 原理：酶催化反應(yīng)產(chǎn)生電活性物質(zhì)（如H?O?、電子）。
- 典型應(yīng)用：
  - 葡萄糖傳感器：葡萄糖氧化酶（GOD）催化葡萄糖生成H?O?，通過安培法檢測(cè)（如血糖儀）。
  - 膽堿/乳酸傳感器：用于運(yùn)動(dòng)生理監(jiān)測(cè)或疾病診斷。
1.2免疫傳感器
- 原理：抗原-抗體結(jié)合引起電極表面阻抗或電位變化。
- 典型應(yīng)用：
  - 疾病標(biāo)志物檢測(cè)：如心肌肌鈣蛋白（cTnI）、PSA（前列腺癌標(biāo)志物）。
  - 新冠病毒檢測(cè)：基于納米金標(biāo)記的免疫電極（快速、高靈敏度）。
1.3DNA/核酸傳感器
- 原理：DNA雜交或CRISPR技術(shù)觸發(fā)電信號(hào)變化。
- 典型應(yīng)用：
  - 基因突變檢測(cè)：如BRCA1基因（乳腺癌相關(guān)）。
  - 病原體檢測(cè)：如HPV、HIV的DNA序列識(shí)別。
1.4細(xì)胞/微生物傳感器
- 原理：活細(xì)胞代謝活動(dòng)改變介質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)。
- 典型應(yīng)用：
  - 毒性檢測(cè)：用細(xì)菌電極評(píng)估環(huán)境污染。
  - 癌細(xì)胞篩查：捕獲循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）。

二、按電化學(xué)檢測(cè)方法分類

2.1安培型傳感器
- 原理：測(cè)量氧化還原反應(yīng)電流（恒電位下）。
- 優(yōu)勢(shì)：高靈敏度、快速響應(yīng)。
- 應(yīng)用：葡萄糖傳感器、神經(jīng)遞質(zhì)（如多巴胺）檢測(cè)。
2.2電位型傳感器
- 原理：測(cè)量電極表面電位變化（如離子選擇性電極）。
- 優(yōu)勢(shì)：無需標(biāo)記、適合離子檢測(cè)。
- 應(yīng)用：
  - pH傳感器：玻璃電極監(jiān)測(cè)體液酸堿度。
  - 離子檢測(cè)：K?、Na?（如電解質(zhì)分析儀）。
2.3阻抗型傳感器
- 原理：監(jiān)測(cè)電極界面阻抗變化（如EIS）。
- 優(yōu)勢(shì)：無標(biāo)記、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
- 應(yīng)用：
  - 細(xì)胞粘附分析：評(píng)估藥物對(duì)細(xì)胞的影響。
  - 病原體檢測(cè)：如大腸桿菌阻抗生物傳感器。
2.4伏安型傳感器
- 原理：掃描電壓獲取電流-電壓曲線（如循環(huán)伏安法）。
- 應(yīng)用：重金屬離子（Pb²?、Cd²?）檢測(cè)、DNA雜交分析。

三、典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1醫(yī)療診斷
- 即時(shí)檢測(cè)（POCT）：
  - 血糖儀（酶電極）、妊娠試紙（免疫電極）。
- 慢性病管理：
  - 尿酸傳感器（痛風(fēng)監(jiān)測(cè)）、膽固醇傳感器。
3.2環(huán)境監(jiān)測(cè)
- 重金屬檢測(cè)：基于適體傳感器的砷（As³?）檢測(cè)。
- 農(nóng)藥殘留：乙酰膽堿酯酶抑制法檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥。
3.3食品安全
- 致病菌檢測(cè)：如沙門氏菌阻抗傳感器。
- 抗生素殘留：牛奶中青霉素的酶抑制法檢測(cè)。
3.4軍事與反恐
- 生物毒素檢測(cè)：如肉毒桿菌毒素的免疫傳感器。

四、前沿技術(shù)與挑戰(zhàn)

4.1納米材料增強(qiáng)
- 石墨烯/碳納米管：提升電子傳遞效率（如石墨烯修飾的葡萄糖傳感器）。
- 金納米顆粒：放大免疫信號(hào)（用于超靈敏PSA檢測(cè)）。
4.2柔性可穿戴傳感器
- 電子皮膚：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汗液中的葡萄糖、乳酸（如加州理工的柔性貼片）。
4.3微流控集成
- 芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-Chip）：微流控電化學(xué)傳感器用于單細(xì)胞分析。
4.4挑戰(zhàn)
- 長(zhǎng)期穩(wěn)定性：酶易失活，需固定化技術(shù)（如溶膠-凝膠封裝）。
- 抗干擾能力：復(fù)雜樣本（如血液）中提高選擇性。

五、代表產(chǎn)品與研究案例

5.1商業(yè)化產(chǎn)品：
- 雅培FreeStyle Libre（連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，酶電極）。
- 西門子快速免疫分析儀（電化學(xué)發(fā)光技術(shù)）。
5.2研究突破：
- 基于CRISPR-Cas12a的電化學(xué)傳感器（Nature Biotechnology, 2020）。