一、引言


微电极生物传感器由生物敏感膜、微型信号转换器和检测电路组成，具有小型便携和快速响应等优点，是生物传感技术的重要方向，随着电子信息科技与生物技术、新材料技术、微机电系统技术及纳米技术等高新技术交叉融合，各种新型微电极生物传感器不断涌现，并向微型化、高灵敏、实时快速、多参数和低成本方向发展，在医疗卫生、脑科学研究等方面具有重要应用。


在医疗卫生方面，糖尿病、心梗、肝炎、肺癌患病人数多，并发症危害大，需检测的主要参数有血糖、血酮体、血乳酸、CK、ALT、AST、CEA、NSE等生化参数，基于新型电化学微电极技术，对这些参数进行现场快速检测，在门诊、病房、手术床边，以及家庭和个人方面有重大需求和广泛的应用前景。


在脑科学研究方面，大脑神经系统是由数十亿个神经元所组成的复杂系统，神经元依靠脉冲放电和神经递质释放两种基本模式来完成信息的传递与功能整合，基于新型电化学微电极和电生理微电极技术，对这两种模式信号开展原位、同步、实时的双模检测分析，在脑神经疾病病因机制发现、早期预防和治疗方面具有重要的应用前景。


二、技术难题和解决方法


1、检测原理


电化学微电极检测原理如图1所示，电化学微电极生物传感器是以生物敏感膜为敏感元件，以电化学电极为转换器，以电流为特征检测信号的生物传感器。电化学电极检测原理是，被分析物扩散进入固定化的生物敏感膜，经分子识别生化反应，产生的化学物质继而被电化学电极换能器转换成定量的电流信号，再经信号检测电路放大输出，得到待测物质浓度。


电生理微电极检测原理是，用微电极将微弱的生物电电位变化检测出，经生物电放大器将它放大，用微电极可在细胞水平上对脑神经电现象进行检测和研究，能记录到少数几个以至单个神经细胞的电活动。


2、技术难点


微电极生物传感器在敏感材料、器件制备工艺、检测方法方面存在一系列技术难题需要攻克（图1）。作为生物传感器核心元件，生物敏感膜材料直接影响检测灵敏度、选择性和响应速度和寿命等关键性能，它的研制是生物传感器的技术瓶颈，涉及新型生物敏感膜涉及反应机制、敏感材料试剂制备和膜的固定化，是主要技术难点；第二个难点是如何进行多参数传感器微型化、集成化制备，以避免相互交叉响应；第三个难点是如何研制便携式仪表，实现低功耗、自动检测。总体技术涉及多学科交叉，难度大。

图1、电化学微电极生物传感器检测原理及技术难点示意图


3、解决思路


针对不同需求，确定探测分析物，基于生物活性分子和纳米功能材料技术，对之进行敏感反应机制研究，并进一步形成敏感材料试剂配方和膜固定化方法，形成核心技术，再基于微机电系统技术和信号处理技术，突破微电极传感器制备工艺和便携式仪器关键技术难题，形成系统的关键技术。


三、主要技术进展


1、突破核心技术


糖尿病患病人数多，并发症危害大，我们针对检测糖尿病生化参数的微电极生物传感器开展了研究。糖尿病需要检测的主要参数有血糖、血酮体、血乳酸等生化参数，基于新型电化学微电极技术，对这些参数进行现场快速检测，在门诊、病房、家庭和个人方面都有重大需求和广泛的应用前景。


经过十余年研究，我们首先突破了研制电化学微电极生物传感器的一系列技术瓶颈，主要包括以下三个方面：第一，在高灵敏度、快速响应的新型酶反应敏感膜材料关键技术方面，我们提出了“纳米功能材料—锇聚合物电子媒介体—复合酶”检测反应新机制，发明了多参数微传感器敏感材料试剂制备和敏感膜固定化方法，使灵敏度增高，检测时间缩短，修饰新材料的电极灵敏度高出未修饰电极的100倍以上；第二，在微型化集成化生物传感器制备新工艺方面，我们发明了微电极阵列集成化制备新工艺，降低了制备成本，解决了微电极阵列、微沟道和生物分子定向生长的集成制备技术难题，形成更微小样品反应沟道，使得取样量减少，实现了微量、多参数生化检测（图2是基于电化学微电极技术开展糖尿病相关参数标准物质响应机制和校准测试情况）；第三，在多参数生物传感器检测新方法方面，发明了电化学多参数生物传感器检测新方法和相关仪器新技术，将自动取样微沟道、敏感膜、微电极阵列和电化学便携式检测仪集成，实现了全血样品生化多参数现场快速检测（图3是临床前全血检测对比实验），为实现高灵敏、快速、现场使用方便的生物传感器国产化奠定了技术基础。

图2、基于电化学微电极技术开展糖尿病相关参数标准物质响应机制和校准测试。(a)对不同浓度葡萄糖标准溶液测试响应曲线；(b)对不同浓度酮体（β-羟丁酸）标准溶液测试响应曲线；(c)对不同浓度乳酸标准溶液测试响应曲线；(d)对乳酸响应的校准曲线

图3、临床前全血检测对比实验。对于不同全血样品，将新型电化学微电极自制仪表检测与血糖仪（GlucoDR）进行了对比测试，相关系数为0.975。


2、成果转化与应用推广


研发只是科研创新的一部分，实现技术成果的应用转化是与研发同样重要的一环。我们电子所和北京怡成生物电子技术有限公司合作，向怡成公司转让了相关技术，把技术推向商品化生产。我们重点进行关键技术攻关、传感器及其原理样机研制工作（图4）；怡成公司重点进行相关传感器技术产品批生产放大和产业化应用推广工作（图5）。这项技术拥有系统的知识产权，获国家发明专利授权16项，在传感器领域国际权威期刊上发表SCI/EI收录论文150篇，制定了企业标准4项，获得中华人民共和国医疗器械注册证4个，形成4个类型的新产品，血糖和血酮体检测产品获得了欧盟CE认证，并获得2013年国家技术发明二等奖。如今，这项发明技术已实现新型便携生物传感器的系列化、实用化和国产化，从根本上解决了我国血糖血酮体测试仪（图5）、血酮体仪、血乳酸仪等生物传感器产品的“有无”问题，填补了以上产品的国内空白。产品具有快速实时、小型便携和操作方便的特点，主要指标达到同类技术的国际先进水平，血糖血酮体测试仪血糖检测时间（5s）、取样量(0.5~3mL）等主要指标优于国际先进的同类技术，在市场价格上具有优势。目前，这些产品已经在医疗卫生等领域进行了广泛应用，取得了显著的经济效益和社会效益。促进了我国企业北京怡成生物电子技术有限公司跨入国际生物传感器市场领先企业行列，为推动我国生物传感技术进步和相关学科发展、提升我国相关产品的自主创新能力和改善人民健康水平做出了重要贡献。

图4、便携式多功能全血生化检测微系统传感器及原型样机

图5、血糖血酮体测试仪产品怡成5DT-4型


3、应用拓展和技术前景


微电极技术具有开放性，还有很多的拓展空间，除了可产生前述新产品外，结合不同的应用需求，基于新型微电极技术及其敏感材料技术，可产生多种不同的检测传感器和系统，技术前景广阔，不仅在医疗卫生领域具有广泛应用前景，还将在脑科学研究、农业种植、食品安全、环境检测、反恐侦查等领域发挥重要作用。


以脑科学研究为例，大脑神经系统是由数十亿个神经元所组成的复杂系统，神经元依靠脉冲放电和神经递质释放两种基本模式来完成信息的传递与整合功能，基于新型电化学微电极和电生理微电极技术，对这两种模式信号开展原位、同步、实时的双模检测分析在脑神经疾病病因机制发现、早期预防和治疗方面具有重要的应用前景。如图6所示，基于修饰纳米铂黑和Nafion的多通道植入式电化学和电生理双模微电极阵列技术，开展了大鼠脑部纹状体电生理和多巴胺双模在体检测实验验证，探测到纹状体电生理信号（神经细胞胞外动作电位和场电位）以及多巴胺递质化学信号。

图6、基于植入式电化学和电生理双模微电极阵列技术，开展大鼠脑部纹状体电生理及多巴胺双模在体检测实验。


作者简介：蔡新霞，中科院电子所传感技术联合国家重点实验室研究员，博士生导师，2001年在英国格拉斯哥大学获生物电子学博士学位。长期从事生物传感器和生化检测系统研究工作，2011年任国家重大科学研究计划纳米研究项目首席科学家，2012年获国家杰出青年科学基金资助，2013年获国家技术发明奖二等奖1项。