基于叉指阵列微电极的阻抗免疫传感器研究进展.pdf

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1、第39卷分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展第1O期2011年10月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1601～16lOle评g述与进展匐l妒＼＼矗＼基于叉指阵列微电极的阻抗免疫传感器研究进展颜小飞汪懋华安冬(中国农业大学教育部现代精细农业系统集成研究重点实验室，北京100083)摘要叉指阵列微电极(Interdigitatedarraymicroelectrodes，IDAM)具有检限低、灵敏度高和信噪比好等优点，近年来在分析化学领域引起了极大的关注。阻抗免疫传感器将IDAM与免疫测定技术相结合，通过抗原抗体的特异性反应引起IDAM之间介质

2、的阻抗变化实现对目标物的检测。本文分析了IDAM的特点、制作材料以及电极设计参数对系统检测性能的影响，评述了IDAM阻抗免疫传感器的工作原理、等效电路分析，综述了IDAM阻抗免疫传感器在食品安全分析和临床诊断领域中的应用，并讨论了目前研究中存在的问题及其发展趋势。关键词叉指阵列微电极；阻抗；免疫传感器；等效电路；综述l引言免疫传感器将免疫测定技术与生物传感技术相结合，是一种基于抗原抗体问特异性结合功能的生物传感器，具有特异性好、灵敏度高、检测速度快等特点，在生物分析、环境监测和食品安全等领域有着重要的应用价值以及广阔的应用前景_L。根据换能器类型的不同，免疫传感器可分为电化学、光学和压

3、电免疫传感器。其中，电化学免疫传感器具有敏感、快速、成本低以及适于设计微小型系统的优点，根据检测信号类型的不同，可分为电流型、电位型、电导型和阻抗型电化学免疫传感器M。近年来，阻抗免疫传感器被广泛应用于生物学检测，主要原因在于：(1)生物体和生物反应具有电特性，通过测量抗原抗体反应引起的电极间介质阻抗变化可实现对目标分析物的检测；(2)阻抗测量技术在研究快速、低成本、非标记和非侵入的生物检测方法中具有巨大的应用潜力【6；(3)阻抗法在研制小型化、易操作的电子检测装置中具有明显优势】。阻抗测量中电极的特性对检测具有较大影响。传统的阻抗法是将金属棒或金属丝直接浸入电解质中进行阻抗测量，为提

4、高检测灵敏度，设计了不同几何形状的微电极。由于传统电极表面的半无限线性扩散层易使反应物损耗，而微电极表面的球形扩散场能够加快反应物的供给速率。因此，微电极比传统电极具有更高的灵敏度【l131。在各种微电极中，又指阵列微电极(IDAM)具有阻抗降低、快速建立稳态信号、信噪比高等优点，广泛应用于生物传感器的研究[15。在阻抗免疫传感器中，传统电极无法实现对生物识别元件引起的微弱阻抗信号的检测，将IDAM与阻抗测量技术相结合，以IDAM作为阻抗信号转换器能够显著提高免疫传感器检测灵敏度，便于研制灵敏、快速、特异、小型化、易操作的生物传感设备。本文对IDAM阻抗免疫传感器的研究进展进行评述，为

5、进一步的研究和应用奠定基础。2叉指阵列微电极(IDAM)2．1IDAM的特点IDAM包含一对微带电极阵列，每个阵列由多个宽度和间距为微米级的指电极并联组合而成，电极之间相互啮合形成叉指状电极阵列，如图1所示。通常，微带电极阵列指电极高0．1～0．2m，宽1～20um，长2～10mm，间距I～20ktm[2。与传统电极相比，IDAM应用于生物传感器主要有三大优201卜0卜12收稿；201卜O3—05接受本文系国际科技交流与合作专项(No．2010DFA31000)，中国农业大学研究生科研创新专项(No．KYCX2010083)资助E—mail：wangmh@Cal1．educa分析化学第

6、39卷势：(1)IDAM的指电极宽度和间距为微米级尺寸，具有较高的灵敏度，可以缩短检测时间，提高信噪比，减少样品使用量，易于实现设备小型化；(2)IDAM可以采用光刻技术进行批量生产，从而降低传感器的生产成本；(3)可直接检测IDAM间介质的阻抗变化，有助于研制非标记型生物传感器，避免使用酶、荧光、放射性物质等进行标记，简化操作过程。B。瓣ad2．2IDAM的制作材料在IDAM的制作材料中，叉指电极和基底制作材料的选取是保证系统检测灵敏度的重要因素口。分析化学第39卷一个阻抗谱，具体选择哪一种等效电路，需要考虑等效电路在被测体系中是否有明确的物理意义，能否合理地解释相应的物理过程。表1

7、较为全面地总结了IDAM应用于阻抗免疫传感器的等效电路模型。表1IDAM的等效电路模型Table1EquivalentcircuitofIDAM在含有氧化还原体系的溶液中进行法拉第阻抗测量时，通常以Randles模型为基础建立IDAM的等效电路模型，电路元件包括电解质溶液电阻R、电子转移电阻R。、双电层电容C和Warburg阻抗z。其中，R和z分别表征本体溶液的性质和溶液中氧化还原对的扩散特性，不受电极表面反应的影响；C和R。表征电极／电解质界