传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
葡萄糖(glucose)、胆固醇(cholesterol)、尿素(urea)、乳酸(lactate)、L-半胱氨酸(L-cysteine)、叶酸(folic acid)、抗体/核酸(antibodies/nucleic acids)、温度与接触力(temperature/contact force);样品基质:生物体液、临床样品、组织/手术界面、溶液
检测原理
本文所述 CP 基传感器以导电聚合物作为换能或介导层。生物识别元件(GOx、脲酶、抗体、DNA 探针、亲和素等)通过共价或非共价方式固定于 PPy、PANI、PT 或纳米复合层中。当被测物与识别元件结合后,酶催化反应产生电子或改变局部 pH/离子浓度,氧化还原介质/掺杂剂在识别层与电极间穿梭电子,使 CP 发生掺杂/去掺杂或界面电荷变化,最终输出电流或电位;磁性纳米粒子与亲和素-生物素体系可提高固定量和信号放大。触觉/热传感器则利用 PVDF 的压电/热释电效应、CP 复合材料的电阻随形变/温度变化,或微悬臂热致弯曲,将力、温度或红外辐射转换为电压、电阻或光学形变信号。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
未报告统一 RSD、回收率。CP 基传感器具生物相容性、柔性、易加工,可集成于微流控、导管和电子皮肤。电化学 CP 传感器可测葡萄糖、胆固醇等,范围从毫摩尔到微摩尔;亲和传感器可达皮摩尔/飞摩尔。磁性固定提高酶负载与选择性;PPy 纳米管阵列增强 GOx 吸附;PAMT 降低电荷转移电阻。触觉传感器可测力、硬度、温度与热导,可拉伸 70% 或扭转 70°。热传感器中 PVDF 与 P(VDF-TrFE) 热释电系数约 25 和 40 μC m−2 K−1,低于 PZT 的 380 μC m−2 K−1;PEDOT:PSS 使红外响应提高 10 倍;微悬臂温度分辨率 0.2 mK、热灵敏度 2 nm/mK。挑战为稳定性、串扰、固定与图案化。
传感器的构成
- 基底/换能器电极:金电极(Au)、玻璃碳电极(GCE)、铂镀多孔氧化铝、柔性聚酰亚胺(Kapton)等,提供导电支撑与信号转换基础
- 导电聚合物修饰层:聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PT)、PAMT、PEDOT:PSS 等,介导电子传递并固定生物分子
- 纳米复合修饰层:碳纳米管(CNT)、金纳米粒子(Au NPs)、四氧化三铁磁性纳米粒子(Fe3O4)等,增强导电性、比表面积与磁性固定
- 生物识别元件:葡萄糖氧化酶(GOx)、脲酶、抗体、DNA探针、亲和素(avidin)、K562白血病细胞等,特异性结合被测物
- 信号标记/放大元件:生物素-亲和素、氧化还原介质/掺杂剂、PEDOT:PSS 红外吸收层、PVDF 压电/热释电层等,将识别事件转为电/热/力信号
- 读出层/仪器:安培、电位、电导、光学、压电、热释电或电阻式读出,输出电流、电位、电阻或形变信号
中文摘要
导电聚合物(CPs)是一类具有独特电学与光学性质的有机聚合物,其材料特性兼具金属/无机半导体导电性与传统聚合物的柔性、易加工和易合成优点。由于部分导电聚合物可与生物样品相互作用并保持良好生物相容性,它们成为生物医学传感的重要候选材料。本文综述了导电聚合物基传感元件及器件的研究现状,重点讨论其在临床诊断和手术干预中的潜在应用。文章按导电聚合物复合材料(CPCs)和本征导电聚合物(ICPs)两类,概述了电化学生物传感器、触觉传感“皮肤”和热传感器的代表性进展。电化学生物传感器中,聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PT)等可作为换能器或介导层,与酶、抗体、DNA 探针、磁性纳米粒子等结合,用于检测葡萄糖、胆固醇、核酸等生物分析物;触觉传感器利用压电、压阻或电容机制感知力、硬度、温度和热导;热传感器则基于热电、热释电或热致形变机制实现温度/红外检测。最后,文章指出 CP 基传感器在稳定性、串扰、固定与图案化等方面仍面临挑战。
英文摘要
A class of organic polymers, known as conducting polymers (CPs), has become increasingly popular due to its unique electrical and optical properties. Material characteristics of CPs are similar to those of some metals and inorganic semiconductors, while retaining polymer properties such as flexibility, and ease of processing and synthesis, generally associated with conventional polymers. Owing to these characteristics, research efforts in CPs have gained significant traction to produce several types of CPs since its discovery four decades ago. CPs are often categorised into different types based on the type of electric charges (e.g., delocalized pi electrons, ions, or conductive nanomaterials) responsible for conduction. Several CPs are known to interact with biological samples while maintaining good biocompatibility and hence, they qualify as interesting candidates for use in a numerous biological and medical applications. In this paper, we focus on CP-based sensor elements and the state-of-art of CP-based sensing devices that have potential applications as tools in clinical diagnosis and surgical interventions. Representative applications of CP-based sensors (electrochemical biosensor, tactile sensing 'skins', and thermal sensors) are briefly discussed. Finally, some of the key issues related to CP-based sensors are highlighted.