电化学生物传感

电化学生物传感器利用了许多生物过程（如酶催化作用及其他结合事件）中固有的氧化还原特性。电化学传感器使用电极，这些电极通常被修饰上具有氧化还原活性的酶。当目标分子参与酶促反应时，通过测量电子的得失并将其与浓度相关联来实现检测。在本视频中，我们将回顾电化学传感的基本原理，然后介绍一种典型电化学传感器——血糖生物传感器的基本工作方式。

首先，让我们深入探讨电化学生物传感器背后的基本原理。与经典的电化学电池类似，这些传感器通常由三个电极组成：工作电极、对电极和参比电极。反应发生在工作电极上，而对电极用于完成电路。参比电极则为氧化还原电位提供一个稳定的参考点。电极材料的选择取决于传感器类型、待检测的分析物以及所采用的测量技术。为了提高对目标分子的特异性，可将生物识别元件（如互补的酶、抗体或单链DNA）固定在电极表面，用于捕获相应的目标分子。随后施加电信号，导致目标分子发生还原或氧化反应，从而产生电子过剩或电子缺失，这一变化可被检测到。现在，以经典的三电极体系为例，我们来看看电化学传感器如何测量这种氧化还原事件。

电化学系统根据所测输出信号的类型可分为不同类型： 安培法、电位法和阻抗法。安培法装置在已知电压条件下测量工作电极与对电极之间电流的变化。输入电压可保持恒定，或呈线性扫描，或在两个设定值之间连续循环。所测得的氧化或还原电流变化与分析物浓度成正比。有关该技术的更多详细信息，请参阅我们的循环伏安法视频。

电位法装置在恒定电流下测量工作电极与参比电极之间的电压变化，然后可根据电位变化计算溶液的浓度。

最后，阻抗法装置测量分析物溶液电导率的变化。通过在已知输入交流电压频率下，随时间测量工作电极与对电极之间电流的变化，根据该电流与电压的关系计算出分析物溶液的阻抗。当分析物溶液的电导率增加时，其阻抗减小；当电导率降低时，阻抗则增大。

在概述了电化学传感的原理及不同类型之后，现在让我们以手持式血糖传感器为例，了解电化学生物传感器的工作机制。目前家庭中对血糖水平的检测，是使用丝网印刷在一次性试纸条上的电极来完成的。这些电极试纸条或电路结构随后会被涂覆上酶和介体层、液体虹吸层以及电路保护膜，并通过薄层粘合片和间隔物固定在一起。试纸条上的液体虹吸层有助于分离血细胞，使仅有血清能够到达覆盖有酶和介体的电极表面。最后，在电极之间施加电压，触发固定化介体-酶层上的葡萄糖酶-介体氧化还原反应。 血清中的葡萄糖被转化为葡萄糖酸，同时还原葡萄糖氧化酶。被还原的酶通过将电子传递给介体分子而恢复至其氧化态，从而使介体被还原。此时，被还原的介体在介体-酶层与下方电极层之间充当电子传递的“ shuttle”（电子载体）； 它在电极表面失去电子并被氧化，进而在电极上产生电流。在特定电位下测得的电流增加量与样品中葡萄糖的浓度成正比。

在回顾了葡萄糖氧化酶的电化学原理之后，让我们快速了解一下用于患者的葡萄糖传感器。该检测通过安全采血针采集血液样本，然后将采集到的血液小心地点加到一次性试纸条的血液采集区域，以进行准确检测。血糖仪通过电极处介体沉积的电子所产生的电流进行计数，进而计算出生成该电量所需的葡萄糖量，并将结果数值显示在屏幕上。

在了解了血糖传感器的原理和操作流程之后，让我们来看看研究人员如何将电化学生物传感技术应用于其他领域。电化学传感还可用于癌症检测。在一种传感器系统中，将针对特定癌症蛋白的抗体固定在磁性微珠表面，然后将这些微珠与待测样品溶液孵育，随后加入第二种具有氧化还原活性且同样能与目标物结合的检测抗体溶液。接着，利用磁场将微珠捕获并富集到电极表面，通过安培法测量来检测样品中癌症蛋白的浓度。

最后，电化学技术还可与微生物结合用于发电，这种装置被称为生物电化学燃料电池。通过培养使微生物在燃料电池的阳极或阴极表面形成生物膜。微生物中的氧化还原活性蛋白参与电极上的氧化还原反应，产生电子，从而生成可被利用的电能，用于其他应用。

您刚刚观看了 JoVE 关于电化学生物传感的视频。本视频简要概述了电化学生物传感器的关键原理，并详细讲解了血糖传感器的工作原理。最后，我们展示了一些电化学生物传感技术在现实世界中的应用。感谢您的观看。