组成图示
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传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
葡萄糖（glucose，D-glucose）；样品基质：PBS 缓冲液（生理相关葡萄糖溶液）
检测原理
传感器以微加工互指金电极为换能器，金表面经 1,8-辛烷二硫醇 SAM、maleimide-C3-NTA 和 Ni2+ 修饰后，通过 His 标签配位固定人葡萄糖激酶（GLK）。当葡萄糖进入电极附近时，D-葡萄糖与 GLK 结合，诱导酶从超开放状态向闭合状态转变，改变蛋白偶极矩和界面介电性质，从而改变电极-溶液界面的阻抗。系统采用电化学阻抗谱（EIS），由 AD5933 向电极施加不同频率的正弦激励，测量阻抗幅值和相位，并通过 DFT 提取实部与虚部。葡萄糖浓度越高，结合 GLK 的比例越大，界面阻抗变化越大；在 0.5–7.5 mM 生理范围内可产生可分辨响应，响应时间小于 10 s。该过程无需氧化还原试剂或酶催化产物，属于无试剂检测。
检测灵敏度
灵敏度: 0.5 mM；线性范围: 0.5 mM–7.5 mM；响应时间: <10 s
效应效果
作者在 PBS 缓冲液中测试 0.5、1、2.5、5 和 7.5 mM 葡萄糖，验证了系统在生理相关范围内的检测能力。频率域测量显示不同葡萄糖浓度下电极阻抗随频率变化；时间域测量在约 30 kHz 下显示阻抗随葡萄糖浓度变化，响应时间小于 10 s。系统使用四个微电极，并通过 RMin/RMax 编码和 IMD 算法分离各电极阻抗。重复性实验中，将葡萄糖溶液替换为缓冲液后，阻抗可恢复到初始值，表明传感器具有可重复和可再生特性。论文未报告 RSD、实际样品回收率或与 ELISA/HPLC/qPCR 的定量对比。作者强调该无试剂、低成本、手持式系统适合连续葡萄糖监测，并有望用于植入式葡萄糖传感器。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：硅片上溅射 20 nm Ti 粘附层与 200 nm Au，制作互指金微电极（IGEs），用于 EIS 阻抗换能。
- 分子修饰层：1,8-辛烷二硫醇（1,8-octanedithiol）在金表面形成自组装单分子层（SAM），提供巯基端基。
- 连接功能化层：maleimide-C3-NTA 与 SAM 巯基偶联，并负载 Ni2+，形成 NTA-Ni2+ 配位位点。
- 识别元件：His 标签人葡萄糖激酶（His-tagged human glucokinase, His-GLK）通过 His 标签与 NTA-Ni2+ 配位固定，结合葡萄糖。
- 封装载体：PCB 载体、金线键合与环氧封装，保护导线并固定微电极。
- 读出电子系统：AD5933 阻抗读取芯片、IMC/IMD 电路与软件，产生正弦激励并数字化阻抗。
中文摘要
本文提出一种基于阻抗法蛋白受体的生物传感器平台，用于即时诊断。作者构建了一套手持式阻抗读数系统，通过监测微加工金电极附近固定蛋白与分析物结合所引起的介电和界面阻抗变化，实现无试剂检测。研究以基因工程人葡萄糖激酶（glucokinase, GLK）作为识别元件，利用其结合葡萄糖后发生显著构象变化、改变整体偶极和介电性质的特性，将葡萄糖浓度转换为电化学阻抗谱（EIS）信号。系统采用 AD5933 阻抗读取芯片、阻抗编码/解码电路和软件，对多个微电极进行实时扫描。实验表明，该无试剂传感器可在生理相关范围 0.5–7.5 mM 内检测 0.5 mM 葡萄糖，响应时间小于 10 s，具有低成本、便携和连续监测潜力。
英文摘要
We put forward an impedometric protein-based biosensor platform suitable for point-of-care diagnostics. A hand-held scale impedance reader system is described for the detection of corresponding physiochemical changes as the immobilized proteins bind to the analyte molecules in the proximity of the microfabricated electrodes. Specifically, we study the viability of this approach for glucose biosensing purposes using genetically engineered glucokinase as receptor proteins. The proposed reagent-less biosensor offers a high sensitivity of 0.5 mM glucose concentration level in the physiologically relevant range of 0.5 mM to 7.5 mM with less than 10 s response time.