一、引言

微電極生物傳感器由生物敏感膜、微型信號轉(zhuǎn)換器和檢測電路組成，具有小型便攜和快速響應等優(yōu)點，是生物傳感技術(shù)的重要方向，隨著電子信息科技與生物技術(shù)、新材料技術(shù)、微機電系統(tǒng)技術(shù)及納米技術(shù)等高新技術(shù)交叉融合，各種新型微電極生物傳感器不斷涌現(xiàn)，并向微型化、高靈敏、實時快速、多參數(shù)和低成本方向發(fā)展，在醫(yī)療衛(wèi)生、腦科學研究等方面具有重要應用。

在醫(yī)療衛(wèi)生方面，糖尿病、心梗、肝炎、肺癌患病人數(shù)多，并發(fā)癥危害大，需檢測的主要參數(shù)有血糖、血酮體、血乳酸、CK、ALT、AST、CEA、NSE等生化參數(shù)，基于新型電化學微電極技術(shù)，對這些參數(shù)進行現(xiàn)場快速檢測，在門診、病房、手術(shù)床邊，以及家庭和個人方面有重大需求和廣泛的應用前景。

在腦科學研究方面，大腦神經(jīng)系統(tǒng)是由數(shù)十億個神經(jīng)元所組成的復雜系統(tǒng)，神經(jīng)元依靠脈沖放電和神經(jīng)遞質(zhì)釋放兩種基本模式來完成信息的傳遞與功能整合，基于新型電化學微電極和電生理微電極技術(shù)，對這兩種模式信號開展原位、同步、實時的雙模檢測分析，在腦神經(jīng)疾病病因機制發(fā)現(xiàn)、早期預防和治療方面具有重要的應用前景。

二、技術(shù)難題和解決方法

1、檢測原理

電化學微電極檢測原理如圖1所示，電化學微電極生物傳感器是以生物敏感膜為敏感元件，以電化學電極為轉(zhuǎn)換器，以電流為特征檢測信號的生物傳感器。電化學電極檢測原理是，被分析物擴散進入固定化的生物敏感膜，經(jīng)分子識別生化反應，產(chǎn)生的化學物質(zhì)繼而被電化學電極換能器轉(zhuǎn)換成定量的電流信號，再經(jīng)信號檢測電路放大輸出，得到待測物質(zhì)濃度。

電生理微電極檢測原理是，用微電極將微弱的生物電電位變化檢測出，經(jīng)生物電放大器將它放大，用微電極可在細胞水平上對腦神經(jīng)電現(xiàn)象進行檢測和研究，能記錄到少數(shù)幾個以至單個神經(jīng)細胞的電活動。

2、技術(shù)難點

微電極生物傳感器在敏感材料、器件制備工藝、檢測方法方面存在一系列技術(shù)難題需要攻克（圖1）。作為生物傳感器核心元件，生物敏感膜材料直接影響檢測靈敏度、選擇性和響應速度和壽命等關(guān)鍵性能，它的研制是生物傳感器的技術(shù)瓶頸，涉及新型生物敏感膜涉及反應機制、敏感材料試劑制備和膜的固定化，是主要技術(shù)難點；第二個難點是如何進行多參數(shù)傳感器微型化、集成化制備，以避免相互交叉響應；第三個難點是如何研制便攜式儀表，實現(xiàn)低功耗、自動檢測?？傮w技術(shù)涉及多學科交叉，難度大。

圖1、電化學微電極生物傳感器檢測原理及技術(shù)難點示意圖

3、解決思路

針對不同需求，確定探測分析物，基于生物活性分子和納米功能材料技術(shù)，對之進行敏感反應機制研究，并進一步形成敏感材料試劑配方和膜固定化方法，形成核心技術(shù)，再基于微機電系統(tǒng)技術(shù)和信號處理技術(shù)，突破微電極傳感器制備工藝和便攜式儀器關(guān)鍵技術(shù)難題，形成系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

三、主要技術(shù)進展

1、突破核心技術(shù)

糖尿病患病人數(shù)多，并發(fā)癥危害大，我們針對檢測糖尿病生化參數(shù)的微電極生物傳感器開展了研究。糖尿病需要檢測的主要參數(shù)有血糖、血酮體、血乳酸等生化參數(shù)，基于新型電化學微電極技術(shù)，對這些參數(shù)進行現(xiàn)場快速檢測，在門診、病房、家庭和個人方面都有重大需求和廣泛的應用前景。

經(jīng)過十余年研究，我們首先突破了研制電化學微電極生物傳感器的一系列技術(shù)瓶頸，主要包括以下三個方面：第一，在高靈敏度、快速響應的新型酶反應敏感膜材料關(guān)鍵技術(shù)方面，我們提出了“納米功能材料—鋨聚合物電子媒介體—復合酶”檢測反應新機制，發(fā)明了多參數(shù)微傳感器敏感材料試劑制備和敏感膜固定化方法，使靈敏度增高，檢測時間縮短，修飾新材料的電極靈敏度高出未修飾電極的100倍以上；第二，在微型化集成化生物傳感器制備新工藝方面，我們發(fā)明了微電極陣列集成化制備新工藝，降低了制備成本，解決了微電極陣列、微溝道和生物分子定向生長的集成制備技術(shù)難題，形成更微小樣品反應溝道，使得取樣量減少，實現(xiàn)了微量、多參數(shù)生化檢測（圖2是基于電化學微電極技術(shù)開展糖尿病相關(guān)參數(shù)標準物質(zhì)響應機制和校準測試情況）；第三，在多參數(shù)生物傳感器檢測新方法方面，發(fā)明了電化學多參數(shù)生物傳感器檢測新方法和相關(guān)儀器新技術(shù)，將自動取樣微溝道、敏感膜、微電極陣列和電化學便攜式檢測儀集成，實現(xiàn)了全血樣品生化多參數(shù)現(xiàn)場快速檢測（圖3是臨床前全血檢測對比實驗），為實現(xiàn)高靈敏、快速、現(xiàn)場使用方便的生物傳感器國產(chǎn)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖2、基于電化學微電極技術(shù)開展糖尿病相關(guān)參數(shù)標準物質(zhì)響應機制和校準測試。(a)對不同濃度葡萄糖標準溶液測試響應曲線；(b)對不同濃度酮體（β-羥丁酸）標準溶液測試響應曲線；(c)對不同濃度乳酸標準溶液測試響應曲線；(d)對乳酸響應的校準曲線

圖3、臨床前全血檢測對比實驗。對于不同全血樣品，將新型電化學微電極自制儀表檢測與血糖儀（GlucoDR）進行了對比測試，相關(guān)系數(shù)為0.975。

2、成果轉(zhuǎn)化與應用推廣

研發(fā)只是科研創(chuàng)新的一部分，實現(xiàn)技術(shù)成果的應用轉(zhuǎn)化是與研發(fā)同樣重要的一環(huán)。我們電子所和北京怡成生物電子技術(shù)有限公司合作，向怡成公司轉(zhuǎn)讓了相關(guān)技術(shù)，把技術(shù)推向商品化生產(chǎn)。我們重點進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、傳感器及其原理樣機研制工作（圖4）；怡成公司重點進行相關(guān)傳感器技術(shù)產(chǎn)品批生產(chǎn)放大和產(chǎn)業(yè)化應用推廣工作（圖5）。這項技術(shù)擁有系統(tǒng)的知識產(chǎn)權(quán)，獲國家發(fā)明專利授權(quán)16項，在傳感器領(lǐng)域國際權(quán)威期刊上發(fā)表SCI/EI收錄論文150篇，制定了企業(yè)標準4項，獲得中華人民共和國醫(yī)療器械注冊證4個，形成4個類型的新產(chǎn)品，血糖和血酮體檢測產(chǎn)品獲得了歐盟CE認證，并獲得2013年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。如今，這項發(fā)明技術(shù)已實現(xiàn)新型便攜生物傳感器的系列化、實用化和國產(chǎn)化，從根本上解決了我國血糖血酮體測試儀（圖5）、血酮體儀、血乳酸儀等生物傳感器產(chǎn)品的“有無”問題，填補了以上產(chǎn)品的國內(nèi)空白。產(chǎn)品具有快速實時、小型便攜和操作方便的特點，主要指標達到同類技術(shù)的國際先進水平，血糖血酮體測試儀血糖檢測時間（5s）、取樣量(0.5~3mL）等主要指標優(yōu)于國際先進的同類技術(shù)，在市場價格上具有優(yōu)勢。目前，這些產(chǎn)品已經(jīng)在醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域進行了廣泛應用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。促進了我國企業(yè)北京怡成生物電子技術(shù)有限公司跨入國際生物傳感器市場領(lǐng)先企業(yè)行列，為推動我國生物傳感技術(shù)進步和相關(guān)學科發(fā)展、提升我國相關(guān)產(chǎn)品的自主創(chuàng)新能力和改善人民健康水平做出了重要貢獻。

圖4、便攜式多功能全血生化檢測微系統(tǒng)傳感器及原型樣機

圖5、血糖血酮體測試儀產(chǎn)品怡成5DT-4型

3、應用拓展和技術(shù)前景

微電極技術(shù)具有開放性，還有很多的拓展空間，除了可產(chǎn)生前述新產(chǎn)品外，結(jié)合不同的應用需求，基于新型微電極技術(shù)及其敏感材料技術(shù)，可產(chǎn)生多種不同的檢測傳感器和系統(tǒng)，技術(shù)前景廣闊，不僅在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域具有廣泛應用前景，還將在腦科學研究、農(nóng)業(yè)種植、食品安全、環(huán)境檢測、反恐偵查等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

以腦科學研究為例，大腦神經(jīng)系統(tǒng)是由數(shù)十億個神經(jīng)元所組成的復雜系統(tǒng)，神經(jīng)元依靠脈沖放電和神經(jīng)遞質(zhì)釋放兩種基本模式來完成信息的傳遞與整合功能，基于新型電化學微電極和電生理微電極技術(shù)，對這兩種模式信號開展原位、同步、實時的雙模檢測分析在腦神經(jīng)疾病病因機制發(fā)現(xiàn)、早期預防和治療方面具有重要的應用前景。如圖6所示，基于修飾納米鉑黑和Nafion的多通道植入式電化學和電生理雙模微電極陣列技術(shù)，開展了大鼠腦部紋狀體電生理和多巴胺雙模在體檢測實驗驗證，探測到紋狀體電生理信號（神經(jīng)細胞胞外動作電位和場電位）以及多巴胺遞質(zhì)化學信號。

圖6、基于植入式電化學和電生理雙模微電極陣列技術(shù)，開展大鼠腦部紋狀體電生理及多巴胺雙模在體檢測實驗。

作者簡介：蔡新霞，中科院電子所傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室研究員，博士生導師，2001年在英國格拉斯哥大學獲生物電子學博士學位。長期從事生物傳感器和生化檢測系統(tǒng)研究工作，2011年任國家重大科學研究計劃納米研究項目首席科學家，2012年獲國家杰出青年科學基金資助，2013年獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎1項。