组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
葡萄糖（glucose）、乳酸（lactate）；样品基质：磷酸盐缓冲液（PBS）
检测原理
该传感器基于酶催化与氧化还原介导电子转移的电化学检测原理。GOX 或 LOX 被包埋/交联于 PEG-DA 水凝胶微结构中，分别特异性催化葡萄糖或乳酸氧化，生成 H2O2 并释放电子。乙烯基二茂铁（vinylferrocene）在紫外交联时共价嵌入水凝胶，形成可逆氧化还原位点，作为电子导线将酶活性中心产生的电子传递至 Au 微电极，从而降低对溶解氧等扩散介质的依赖。工作时，三电极体系将工作电极恒置于 0.4 V（vs Ag/AgCl），酶催化速率随底物浓度增加而增加，乙烯基二茂铁氧化还原电流随之增大，安培电流与葡萄糖/乳酸浓度呈线性关系。多掩模光刻使不同酶固定于相邻电极，实现同一阵列多分析物并行检测。
检测灵敏度
线性范围: 0–20 mM（葡萄糖）、0–10 mM（乳酸）；灵敏度: 0.9 µA cm-2 mM-1（葡萄糖）、1.1 µA cm-2 mM-1（乳酸）；R^2 = 0.99（葡萄糖）、0.98（乳酸）
效应效果
该多分析物电化学传感器重现性和稳定性良好。同一五电极阵列内葡萄糖响应标准差约 6%，器件间约 8%（n=5）；葡萄糖电极 4 °C PBS 中保存并每日测试 15 天，保留约 90% 初始响应。电极 70 s 内达到 90% 信号。选择性依靠 GOX/LOX 酶特异性及多掩模空间分区固定，未报告实际样品加标回收率或与 ELISA/HPLC/qPCR 对比。含氧与无氧 PBS 中葡萄糖信号差异约 8%，表明乙烯基二茂铁介导电子转移可降低对溶解氧依赖。作者认为该微型化、抗污、生物相容酶电极阵列可用于活细胞附近代谢物通量实时监测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：玻璃片（glass slide）溅射 15 nm Cr 粘附层和 100 nm Au 层，光刻形成 300 µm 直径 Au 微电极阵列，作为工作电极与电化学换能器。
- 表面修饰层：3-丙烯酰氧基丙基三氯硅烷（3-acryloxypropyl trichlorosilane）修饰玻璃表面，提供共价锚定点以固定 PEG 水凝胶。
- 绝缘封装层：纯 PEG-DA 水凝胶经光刻覆盖 Au 引线（leads），绝缘非传感区并降低背景电流。
- 识别元件层：葡萄糖氧化酶（GOX）或乳酸氧化酶（LOX）包埋于 PEG-DA 水凝胶微结构（600 µm 直径），固定于相邻 Au 电极上，实现葡萄糖/乳酸特异性识别。
- 氧化还原信号层：乙烯基二茂铁（vinylferrocene）共价嵌入 PEG-DA 水凝胶，作为氧化还原介质/电子导线，将酶催化电子传递至 Au 电极。
- 酶稳定剂：戊二醛（glutaraldehyde，2% v/v）加入酶溶液，提高酶保留与生物传感器功能。
- 支撑电解质：10 mM 磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.0）含 20 µM MgCl2，维持酶活性并提供离子导电。
中文摘要
本文报道了一种用于将功能生物分子（酶）与电极阵列互连的生物材料微加工方法。采用聚乙二醇（PEG）水凝胶光刻图案化技术，将金（Au）电极阵列与葡萄糖氧化酶（GOX）和乳酸氧化酶（LOX）集成。具体而言，将含有酶分子和氧化还原物质（乙烯基二茂铁，vinylferrocene）的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG-DA）预聚物旋涂于金电极阵列上，经对准和紫外交联，在 300 µm 直径金电极上方制备出 600 µm 直径的载酶圆形水凝胶微结构。使用多掩模时，水凝胶光刻可将 GOX 和 LOX 分别固定于同一电极阵列的相邻电极上。循环伏安法和安培法用于表征生物传感器阵列。阵列对葡萄糖的响应在 0–20 mM 范围内线性，灵敏度为 0.9 µA cm-2 mM-1；对乳酸在 0–10 mM 范围内线性，灵敏度为 1.1 µA cm-2 mM-1。研究还实现了同一电极阵列对葡萄糖和乳酸的同时检测。该策略为空间分辨并对准不同生物识别元件与微型电极阵列各单元提供了灵活性，未来可用于实时监测活细胞附近代谢物通量。
英文摘要
This paper describes a biomaterial microfabrication approach for interfacing functional biomolecules (enzymes) with electrode arrays. Poly (ethylene glycol) (PEG) hydrogel photopatterning was employed to integrate gold electrode arrays with the enzymes glucose oxidase (GOX) and lactate oxidase (LOX). In this process, PEG diacrylate (DA)-based prepolymer containing enzyme molecules as well as redox species (vinylferrocene) was spin-coated, registered, and UV cross-linked on top of an array of gold electrodes. As a result, enzyme-carrying circular hydrogel structures (600 microm diameter) were fabricated on top of 300 microm diameter gold electrodes. Importantly, when used with multiple masks, hydrogel photolithography allowed us to immobilize GOX and LOX molecules on adjacent electrodes within the same electrode array. Cyclic voltammetry and amperometry were used to characterize biosensor electrode arrays. The response of the biosensor array was linear for up to 20 mM glucose with sensitivity of 0.9 microA cm(-2) mM(-1) and 10 mM lactate with sensitivity of 1.1 microA cm(-2) mM(-1). Importantly, simultaneous detection of glucose and lactate from the same electrode array was demonstrated. A novel strategy for integrating biological and electrical components of a biosensor described in this paper provides the flexibility to spatially resolve and register different biorecognition elements with individual members of a miniature electrode array. Of particular interest to us are future applications of these miniature electrodes for real-time monitoring of metabolite fluxes in the vicinity of living cells.