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
胆碱（choline）、L-谷氨酸（L-glutamate）；样品基质：人工脑细胞外液（aECF）、PBS、大鼠前额叶皮层细胞外液
检测原理
被测物胆碱或L-谷氨酸扩散穿过m-PPD半透膜进入酶膜，分别被ChoOx或GluOx催化氧化，同时消耗O2并生成H2O2。H2O2再扩散至Pt微电极表面，在+0.7 V（vs Ag/AgCl）下发生电化学氧化，产生与底物浓度成正比的安培电流。m-PPD膜通过尺寸排阻阻挡多巴胺和抗坏血酸等电活性干扰物；第二电极涂覆BSA对照膜并同步覆盖m-PPD，利用差分法扣除干扰、噪声和漂移。酶催化步骤提供生物识别与信号放大，H2O2电化学氧化完成换能，因此电流响应随神经递质浓度升高而增大。
检测灵敏度
LOD: 0.30 μM（胆碱）、0.42 μM（L-谷氨酸）；线性范围: 300 μM（胆碱）、100 μM（L-谷氨酸）；灵敏度: 9.9 ± 1.5 pA/μM（胆碱）、7.1 ± 1.5 pA/μM（L-谷氨酸）；R = 0.998（胆碱）；面积归一化灵敏度: 132 ± 20 μA mM−1 cm−2（胆碱）、95 ± 20 μA mM−1 cm−2（L-谷氨酸）
效应效果
m-PPD膜对多巴胺和抗坏血酸接近100%排阻，平均抗干扰比>30:1（约96.6%），前两周仅下降约3%。平行沉积重现性良好：胆碱灵敏度平均变化6.8%（n=8），L-谷氨酸8.6%（n=6）；一例4电极胆碱灵敏度6.1±0.1 pA/μM，变化<2%。间距200 μm的不同酶膜电极无串扰。人工细胞外液中灵敏度下降<10%；胆碱前两个月漂移约-0.1 pA μM−1 d−1，L-谷氨酸基本恒定。体内局部注射200 mM底物产生稳定可重复分级响应，KCl和尼古丁诱导的乙酰胆碱释放可检测，新斯的明抑制AChE后信号消失。作者认为该阵列相比微透析更适合脑内多部位、多分析物监测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：DRIE 硅微探针，含 20 nm Ta/130 nm Pt 凹陷微电极和集成 Ag/AgCl 参比电极，提供机械支撑与电化学换能
- 表面预处理层：3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）气相硅烷化，增强酶膜粘附、存储寿命和重现性
- 识别/催化元件：胆碱氧化酶（ChoOx）或 L-谷氨酸氧化酶（GluOx），与 BSA 和戊二醛（GA）共交联，经 EAA 沉积形成约 8–10 μm 酶膜
- 对照扩散膜：BSA 蛋白膜（19 mg/ml）涂覆于第二电极，形成匹配扩散屏障，用于差分法
- 抗干扰半透膜：间苯二胺（m-PD）电聚合膜（m-PPD），尺寸排阻多巴胺（DA）和抗坏血酸（AA）
- 信号标记物：酶催化反应生成的过氧化氢（H2O2），在 Pt 电极 0.7 V 下氧化产生安培电流
中文摘要
本文报道了一种可植入脑组织的硅微探针阵列，探针杆长6.5 mm，采用深反应离子刻蚀（DRIE）硅微加工技术制备，集成多个凹陷铂（Pt）微电极（50 μm×150 μm）和一个Ag/AgCl参比电极。微电极表面涂覆酶膜和半透间苯二胺（m-phenylenediamine, m-PD）层，用于在生理相关浓度下选择性检测神经递质胆碱和L-谷氨酸。功能化基于电化学辅助吸附（EAA），并结合戊二醛（GA）化学共交联和电化学聚合。这些沉积方法与微探针阵列完全兼容，可在不同脑区同时检测多种分析物；具有空间可控性，可平行制备多个微电极上的生物传感器，或为间距很近的微电极提供无串扰的不同酶膜涂层。胆碱和L-谷氨酸灵敏度分别为132±20 μA mM−1 cm−2和95±20 μA mM−1 cm−2，检出限低于0.5 μM。体外和体内实验证实了传感器功能可行性。
英文摘要
Brain-implantable microprobe arrays, 6.5 mm shaft-length, incorporating several recessed Pt microelectrodes (50 μm×150 μm) and an integrated Ag/AgCl reference electrode fabricated by silicon micromachining dry etching techniques (DRIE) are described. The microelectrodes are coated by an enzyme membrane and a semi-permeable m-phenylenediamine layer for the selective detection of the neurotransmitters choline and L-glutamate at physiologically relevant concentrations. The functionalisation is based on electrochemically aided adsorption (EAA) combined with chemical co-cross-linking using glutaraldehyde and electrochemical polymerisation, respectively. These deposition methods are fully compatible with the fabricated microprobe arrays for the simultaneous detection of several analytes in different brain target areas. They are spatially controlled and allow fabricating biosensors on several microelectrodes in parallel or providing a cross-talk-free coating of closely spaced microelectrodes with different enzyme membranes. A sensitivity of 132±20 μA mM(-1) cm(-2) for choline and 95±20 μA mM(-1) cm(-2) for L-glutamate with limits of detections below 0.5 μM was obtained. The results of in vitro and in vivo experiments confirm the functional viability of the choline and l-glutamate biosensors.