组成图示
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传感器类型
场效应晶体管(FET)生物传感器
检测对象
肌酐（creatinine, Cr）；样品基质：肾衰竭患者血液透析后透析液（post-dialysate/dialysis fluid）
检测原理
固定于pH-FET栅极的肌酐脱氨酶（CD）特异性催化肌酐水解：肌酐+H2O→N-甲基乙内酰脲+NH4+。生成的NH4+使酶膜界面pH发生与肌酐浓度相关的变化。pH-FET的SiO2/Si3N4栅介质对界面pH敏感，pH变化改变栅极附近电位，进而改变p沟道MOSFET的阈值电压和通道电流。在恒流读出电路中，通道电流被维持恒定，输出电位随栅极电位变化而改变。芯片上工作FET与仅含BSA的参考FET组成差分结构，可抵消温度、溶液pH、离子强度、环境光和电磁干扰。最终通过标准加入法或校准曲线将差分信号转换为肌酐浓度。
检测灵敏度
线性范围: 0.02–0.32 mM；相关系数: 0.98（标准加入法）、0.95（校准曲线）
效应效果
传感器在真实透析液中重现性高，信号RSD不超过1%，生物识别元件活性5–6 h内基本不变，可支持3–4 h透析。对肾衰竭患者透析液在线监测显示，透析15 min后肌酐仍高于正常范围（0.03–0.14 mM），4 h后降至0.16 mM，较最初15 min下降约70%。与Jaffe比色法比较，标准加入法和校准曲线法相关系数分别为0.98和0.95；拟合线斜率大于1且不过零点，作者认为可能源于Jaffe血清/尿液协议用于透析液时复合物形成效率下降。校准曲线法更简单快速，适合临床实验室在线监测透析速率与质量，也可用于血清和尿液肌酐筛查。
传感器的构成
- 基底/换能器：n型硅衬底（4.5 Ω cm，<100>）与p沟道MOS pH-FET，提供pH敏感栅极并转换为电流信号
- 栅介质层：50 nm热氧化SiO2与50 nm低压沉积Si3N4，构成栅极绝缘层并允许界面pH敏感
- 电极/互连：p型导电总线被介质覆盖形成漏源接触，芯片经超声焊接和环氧密封安装于PCB
- 识别膜：8%肌酐脱氨酶（CD）与8% BSA固定于工作FET栅极，催化肌酐水解
- 参照膜：16% BSA固定于参考FET栅极，用于差分抵消非特异干扰
- 交联/稳定剂：戊二醛（GA）蒸气交联酶与BSA，10%甘油稳定酶并防止干燥
- 读出电路：恒流电路维持通道电流约20 μA、漏源电压约1 V，差分读出工作/参考FET信号
中文摘要
肌酐是评估肾功能和肌肉代谢的重要标志物，血液透析可清除体内肌酐，但需要快速、在线的方法监测透析效率。本文报道了一种基于pH敏感场效应晶体管（pH-FET）和固定化肌酐脱氨酶（creatinine deiminase, CD）的电位型肌酐生物传感器在真实透析液中的优化与应用。该传感器以pH-FET为换能器，以CD为生物识别元件，通过酶催化肌酐水解产生NH4+引起界面pH变化，再由pH-FET转换为电信号。芯片集成工作FET与参考FET，采用差分测量降低温度、pH、离子强度及电磁干扰。作者将传感器用于肾衰竭患者血液透析过程中透析液的在线监测，并采用标准加入法和校准曲线定量。结果显示，传感器与经典Jaffe比色法具有较高相关性，相关系数分别为0.98和0.95，表明其可用于透析过程控制及肌酐水平筛查。
英文摘要
The highly sensitive and selective potentiometric biosensor for creatinine determination has been developed by us earlier. In it, pH-sensitive field effect transistors were used as transducer and immobilized creatinine deiminase (EC 3.5.4.21)--as a biosensitive element. In the work presented, we optimized this biosensor for creatinine analysis in real samples of dialysate in patients with renal failure. The optimized version of biosensor was applied for on-line monitoring of the level of creatinine in the patient's dialysate fluid in the course of dialysis session. High correlation between the biosensor analysis and traditional Jaffe method was demonstrated.