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
乳酸（lactate）、葡萄糖（glucose）、pH；样品基质：肌肉间质液/组织间液（in vivo），实验表征用 0.1 M Tris/0.1 M KCl 缓冲液
检测原理
该器件为植入式酶促电化学生物传感器设计。目标物葡萄糖或乳酸扩散穿过 poly(HEMA) 水凝胶层，进入含葡萄糖氧化酶（GOx）或乳酸氧化酶（LOx）的微反应器；酶催化底物氧化并改变氧化还原介质（文中以 FcCO2H 作为模型介质）的浓度或氧化态。介质在 50 μm 金微盘电极（MDEA）表面发生可逆/准可逆电子转移，产生与底物浓度相关的法拉第电流；水凝胶层限制扩散，使 FcCO2H 表观扩散系数由 6.68×10−5 降至 6.74×10−6 cm2/s，并增加电荷转移电阻与扩展电阻，降低双电层电容。pH 改变水凝胶离子化/水合状态，引起 4 kHz 实部阻抗随 pH 升高下降 5%–20%，形成可逆阻抗信号。本文未采用 HCR/RCA 等放大策略，主要依靠酶促电子转移与微电极径向扩散，最终由电化学工作站通过 CV、LPR 和 EIS/EIA 读出。
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
水凝胶涂层使 FcCO2H 表观扩散系数从 6.68×10−5 降至 6.74×10−6 cm2/s，CV 电流密度下降约一个数量级，ΔEp>90 mV，ipa/ipc 由 1.0 变为 1.3，说明介质传输可行但灵敏度牺牲。LPR 测得 MDEA 050 未涂覆双电层电容 4000±100 nF，涂覆后 2800±400 nF；MDEA 5037 约 30–31 nF。EIS 显示涂覆后 MDEA 050 的 Rsp 由 64.37 Ω 增至 152.5 Ω，Rct 由 1.76×105 Ω 增至 3.35×106 Ω。pH 6.1 至 7.2 时 4 kHz 实部阻抗可逆下降约 5%，pH 6.1 至 8.8 下降约 20%，一周后重复一致。作者认为该水凝胶可改善植入生物相容性、稳定酶活性并支持连续监测，但需优化扩散与阻抗匹配。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：金微盘电极阵列 MDEA 050-Au 与 ECC MDEA 5037-Au（50 μm Au 微盘、0.5 μm Si3N4 钝化层）及 8W1E 250 μm Au 电极，提供电化学换能
- 表面活化层：RCA 清洗与 UV-Ozone 处理在 Si3N4 表面生成 -OH 并去除有机残留，提高后续共价修饰
- 化学修饰层：3-巯基-1-丙醇（MPT）在金表面引入羟基，γ-APS 硅烷化引入氨基；8W1E 用 cysteamine 修饰 Au，Novalac 用 γ-APS 修饰
- 偶联间隔层：Acrl-PEG-NHS（MW 3500）连接表面氨基/羟基与水凝胶，建立共价锚定路径
- 水凝胶响应/封装层：HEMA、TEGDA、PEG(200)MA、HMMA、DMPA（86:3:5:5:1 mol%）经 366 nm UV 交联成 poly(HEMA) 水凝胶，提供生物相容性与酶稳定微反应器
- 识别元件（设计目标）：葡萄糖氧化酶（GOx）/乳酸氧化酶（LOx）用于葡萄糖/乳酸识别，本文仅作为植入式生物传感器设计目标，未实际固定化
- 电子探针/介质：FcCO2H 作为可逆氧化还原探针，用于 CV 评估水凝胶内扩散与界面阻抗
- 参比/对电极：Ag/AgCl 微电极与铂网辅助电极，用于三电极电化学测量
中文摘要
本文面向创伤性出血后肌肉内乳酸、葡萄糖、pH 和温度的连续远程监测，讨论植入式电化学生物传感器的两项关键设计：微盘电极阵列（MDEA）用于电化学传感，以及仿生聚（羟乙基甲基丙烯酸酯）（poly(HEMA)）水凝胶用于改善植入生物相容性。作者将含聚乙二醇（PEG）的 poly(HEMA) 水凝胶涂覆于 50 μm 金微盘 MDEA 和 8 孔培养皿中 250 μm 金电极表面，并用四乙二醇二丙烯酸酯（TEGDA）紫外交联。循环伏安（CV）表明，水凝胶使 FcCO2H 表观扩散系数由未涂覆电极的 6.68×10−5 cm2/s 降至 6 μm 厚涂层电极的 6.74×10−6 cm2/s，电流密度下降约一个数量级，但伏安曲线仍呈微电极特征，说明介质可扩散至电极表面。4 kHz 时域阻抗测量显示，水凝胶在 pH 6.1 至 7.2 间实部阻抗可逆下降约 5%，在 pH 6.1 至 8.8 间下降约 20%，且一周后重复实验一致。结果表明该水凝胶可作为植入式酶生物传感器的响应/封装膜，但需进一步优化扩散与阻抗匹配。
英文摘要
Our interest is in the development of engineered microdevices for continuous remote monitoring of intramuscular lactate, glucose, pH and temperature during post-traumatic hemorrhaging. Two important design considerations in the development of such devices for in vivo diagnostics are discussed; the utility of micro-disc electrode arrays (MDEAs) for electrochemical biosensing and the application of biomimetic, bioactive poly(HEMA)-based hydrogel composites for implant biocompatibility. A poly(HEMA)-based hydrogel membrane containing polyethylene glycol (PEG) was UV cross-linked with tetraethyleneglycol diacrylate following application to MDEAs (50 mum discs) and to 250 mum diameter gold electrodes within 8-well culture ware. Cyclic voltammetry (CV) of the MDEAs revealed a reduction in the apparent diffusion coefficient of ferrocenemonocarboxylic acid (FcCO(2)H), from 6.68 x 10(-5) to 6.74 x 10(-6) cm(2)/s for the uncoated and 6 mum thick hydrogel coated devices, respectively. Single frequency (4 kHz) temporal impedance measurements of the hydrogels in the 8-well culture ware showed a reversible 5% change in the absolute impedance of the hydrogels when exposed to a pH change between 6.1 to 7.2 and a 20% drop between pH 6.1 and 8.8.