一、引言

微電極生物傳感器由生物敏感膜、微型信號轉換器和檢測電路組成，具有小型便攜和快速響應等優(yōu)點，是生物傳感技術的重要方向，隨著電子信息科技與生物技術、新材料技術、微機電系統(tǒng)技術及納米技術等高新技術交叉融合，各種新型微電極生物傳感器不斷涌現，并向微型化、高靈敏、實時快速、多參數和低成本方向發(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、肺癌患病人數多，并發(fā)癥危害大，需檢測的主要參數有血糖、血酮體、血乳酸、CK、ALT、AST、CEA、NSE等生化參數，基于新型電化學微電極技術，對這些參數進行現場快速檢測，在門診、病房、手術床邊，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，大腦神經系統(tǒng)是由數十億個神經元所組成的復雜系統(tǒng)，神經元依靠脈沖放電和神經遞質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，對這兩種模式信號開展原位、同步、實時的雙模檢測分析，在腦神經疾病病因機制發(fā)現、早期預防和治療方面具有重要的應用前景。

二、技術難題和解決方法

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，經分子識別生化反應，產生的化學物質繼而被電化學電極換能器轉換成定量的電流信號，再經信號檢測電路放大輸出，得到待測物質濃度。

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電現象進行檢測和研究，能記錄到少數幾個以至單個神經細胞的電活動。

2、技術難點

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鍵性能，它的研制是生物傳感器的技術瓶頸，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，是主要技術難點；第二個難點是如何進行多參數傳感器微型化、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，實現低功耗、自動檢測?？傮w技術涉及多學科交叉，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，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，再基于微機電系統(tǒng)技術和信號處理技術，突破微電極傳感器制備工藝和便攜式儀器關鍵技術難題，形成系統(tǒng)的關鍵技術。

三、主要技術進展

1、突破核心技術

糖尿病患病人數多，并發(fā)癥危害大，我們針對檢測糖尿病生化參數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有血糖、血酮體、血乳酸等生化參數，基于新型電化學微電極技術，對這些參數進行現場快速檢測，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鍵技術方面，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難題，形成更微小樣品反應溝道，使得取樣量減少，實現了微量、多參數生化檢測（圖2是基于電化學微電極技術開展糖尿病相關參數標準物質響應機制和校準測試情況）；第三，在多參數生物傳感器檢測新方法方面，發(fā)明了電化學多參數生物傳感器檢測新方法和相關儀器新技術，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，實現了全血樣品生化多參數現場快速檢測（圖3是臨床前全血檢測對比實驗），為實現高靈敏、快速、現場使用方便的生物傳感器國產化奠定了技術基礎。

圖2、基于電化學微電極技術開展糖尿病相關參數標準物質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，相關系數為0.975。

2、成果轉化與應用推廣

研發(fā)只是科研創(chuàng)新的一部分，實現技術成果的應用轉化是與研發(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有限公司合作，向怡成公司轉讓了相關技術，把技術推向商品化生產。我們重點進行關鍵技術攻關、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傳感器技術產品批生產放大和產業(yè)化應用推廣工作（圖5）。這項技術擁有系統(tǒng)的知識產權，獲國家發(fā)明專利授權16項，在傳感器領域國際權威期刊上發(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個類型的新產品，血糖和血酮體檢測產品獲得了歐盟CE認證，并獲得2013年國家技術發(fā)明二等獎。如今，這項發(fā)明技術已實現新型便攜生物傳感器的系列化、實用化和國產化，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品的“有無”問題，填補了以上產品的國內空白。產品具有快速實時、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，在市場價格上具有優(yōu)勢。目前，這些產品已經在醫(yī)療衛(wèi)生等領域進行了廣泛應用，取得了顯著的經濟效益和社會效益。促進了我國企業(yè)北京怡成生物電子技術有限公司跨入國際生物傳感器市場領先企業(yè)行列，為推動我國生物傳感技術進步和相關學科發(fā)展、提升我國相關產品的自主創(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品怡成5DT-4型

3、應用拓展和技術前景

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

以腦科學研究為例，大腦神經系統(tǒng)是由數十億個神經元所組成的復雜系統(tǒng)，神經元依靠脈沖放電和神經遞質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，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疾病病因機制發(fā)現、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，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（神經細胞胞外動作電位和場電位）以及多巴胺遞質化學信號。

圖6、基于植入式電化學和電生理雙模微電極陣列技術，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聯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年獲國家技術發(fā)明獎二等獎1項。