自Leland Clark Jr于1962年提出安培葡萄糖酶電極以來，生物傳感器已被廣泛應用于臨床、工業、環境和農業分析。根據國際純粹和應用化學聯盟的定義，生物傳感器是一種獨立的、集成的分析裝置，其中生物識別元件(生化受體，包括酶、抗體、抗原、肽、DNA、適配子或活細胞)與轉導元件(如電化學、光學和機械傳感器)直接空間接觸。最初開發生物傳感器是爲了對生物分子靶點進行即時(point-of-care, POC)檢測，希望將臨床分析從專業實驗室擴展到公共場所，包括醫院、非醫院護理機構或家庭。雖然已經開發出多種生物傳感器用于敏感和選擇性地檢測一系列疾病相關分子，但由于難以將生物傳感器集成和小型化到便攜式設備中，生物傳感器的臨床轉化仍然有限。
基于此，鞠熀先教授概述了需要解決的關鍵工程挑戰，以提高傳感精度，實現多路複用和一步處理，並將電化學生物傳感設備集成到數字醫療保健路徑中。相關工作以“Device integration of electrochemical biosensors”發表在《Nature reviews bioengineering》。
圖1. 電化學生物傳感器
安培和伏安生物傳感器
安培和伏安型生物傳感器使用三電極系統操作，該系統包含一個作爲工作電極(WE)的生物傳感器，用于識別目標，一個作爲電流源的反電極，以及一個施加穩定電位的參考電極。電流信號由WE上的電化學反應産生，用于目標定量。這兩種技術的區別在于它們的應用電位，對于安培測量是恒定的，而對于伏安檢測是可變的。根據電位變化模式，後者可采用循環伏安法、差分脈沖伏安法、方波伏安法和陽極剝離伏安法等多種技術進行。安培生物傳感器是檢測代謝産物(如葡萄糖、乳酸和尿酸)最常用的傳感器。在安培生物傳感器中，目標特異性酶(例如，葡萄糖氧化酶(GOx)，乳酸氧化酶或尿酸酶)被固定在WE上，以恒定電位催化目標的氧化;例如，葡萄糖儀通常使用安培生物傳感器構建，使用GOx催化葡萄糖通過氧化還原介質(例如鐵氰化物、二茂鐵衍生物和過渡金屬絡合物)氧化(圖1b);或者，安培葡萄糖传感器可以依靠葡萄糖与天然氧的酶促氧化，使用普鲁士蓝等介质产生簣D觳夤趸�。安培型生物传感器制作简单，对目标检测具有较高的灵敏度和选择性，适合于可穿戴应用。由于非血液液体中的代谢物浓度低于血液中的浓度(如汗液葡萄糖濃度(10 ~ 200 μM)和淚液葡萄糖濃度(0 ~ 2 mM)分別比血糖濃度(1 ~ 20 mM)低100倍和10倍)，因此可以在生物传感界面中添加金属纳米粒子、碳纳米管和石墨烯等纳米材料，以促进电子传递，从而提高灵敏度，降祱D觳庀�25。例如，金鉑雙金屬納米催化劑與納米多孔水凝膠結合後，可實現GOx固定和葡萄糖檢測，靈敏度爲180 μA cm -2 mmol-1，檢測限爲0.01 mg dl-1 (0.56 μM)，使這種生物傳感器適合與智能隱形眼鏡集成用于淚液葡萄糖測量。此外，具有酶學性質的納米材料(即人工納米酶)可用于安培型生物傳感器，以避免天然酶的變性;例如，利用激光誘導的石墨烯陣列，與Cu2o和Au納米粒子共裝飾，設計了一種小型化、電化學、柔性、非酶生物傳感器，在來回彎曲25次時提供穩定的傳感信號;其與基于智能手機的便攜式血糖監測站的集成已被商業血液檢測設備驗證。
圖2. 便攜式電化學生物傳感裝置
便攜式電化學生物傳感裝置
便携式电化学传感器已被初步开发用于监测糖尿病患者的血糖水平。个人血糖仪是一种便携式電化學生物傳感器，为个人血糖控制提供快速定量的血糖水平。血糖仪通常是基于氧化还原酶的安培生物传感器，由一次性试纸和口袋大小的手持式电化学阅读器组成(圖2a)。一次性試紙可以使用塑料和導電漿料等低成本材料進行大規模印刷和切割;例如，測試條上的薄膜電極可以通過絲網印刷技術生産，這可以以低成本大量生産。含有酶和電子介質的傳感層被固定在WE上用于檢測葡萄糖。一旦血液樣本被引入由測試條上的間隔層形成的小室(電化學電池)，血糖就會被氧化還原介質氧化，而氧化還原介質是由GOx催化的(圖2a)。然後還原介質在電極上被氧化，産生可測量的電流信號，通過手持式檢測器將其轉換爲葡萄糖濃度。個人血糖儀是自1960年第一個葡萄糖酶電極概念被提出以來不斷提高其准確性、可靠性、易用性和可負擔性的工程進步的結果。
圖4. 電化學生物傳感器在植入式装置中的集成
集成到可植入設備中
使用便携式电化学装置进行的指尖血检测通常高度准确，但需要频繁、有创的样本采集。可穿戴电化学生物传感具有非侵入性，但其分析准确性较低，这在诊断应用中尤其值得关注。另外，植入式電化學生物傳感器结合了有创手指点刺试验的高准确性和无创可穿戴分析的长期监测能力。植入式電化學生物傳感器尤其被探索用于连续血糖监测和脑内生物标志物(如神經化學物質)的體內監測 (圖4)。
【小結】
電化學生物傳感器是定量分析体液中生化分析物的有力工具，为基础研究和医疗应用提供动态生理过程的数字数据。将電化學生物傳感器集成到便携式、可穿戴和可植入式设备中使分散的POC檢測成爲可能，這有可能徹底改變診斷和健康管理，特別是在低資源環境中。使用不同襯底(包括塑料、柔性膜、紡織品和紙張)的一次性、柔性和多极電化學生物傳感器的批量制造簣D煽梢酝ü蛴�(例如，屏幕，噴墨，卷對卷和轉移印刷)和微加工(例如，光刻，蒸发，电子束蒸发簣Dす馇懈罨�);然而，要使集成電化學生物傳感器在POC診斷中發揮真正的作用，還需要解決工程挑戰;例如，信號轉導、調理(放大和濾波)、處理和無線傳輸等方面需要改進;所有功能控制器和模塊應集成在一塊電路板上;軟電子和芯片組的封裝需要優化;需要實現設備的微型化、網絡化和智能化。
