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电化学免疫传感器的原理和分类

发布日期：2024-09-25点击量：970次编辑：szbyjy_admin

电化学免疫传感器是以抗原/抗体为特异性分子识别元件，且与电化学传感元件直接接触，并通过传感元件把某种或者某类化学物质的浓度信号转变为相应的电信号的传感器。因其是基于抗原和抗体的特异性反应发展起来的，电化学免疫传感器较其他电化学生物传感器有更高的专一性和选择性。同时，由于它耦联各种电分析技术，如溶出伏安法、脉冲伏安法、脉冲差分法等，大大提高了灵敏度，在短短几十年里，相继开辟了种类繁多的研究领域和应用领域，目前正朝着更加灵敏、特效、微型和适用的方向发展。

一、电化学免疫传感器的原理

电化学免疫传感器包括识别元件和转换部件，其特征检测信号是电位或电流。接收器通过免疫反应识别到待测物质时，化学量与电信号通过转换部件进行转换，输出与待测物浓度有关的信号，然后由计算机进行处理并显示出来。其原理结构见下图。

电化学免疫传感器的结构（来源：IVD分享库）

由于是以抗原或抗体作为传感器的识别元件，电化学免疫传感器具有高度特异性，是快速获取复杂体系中待测物信息的理想分析工具。

二、电化学免疫传感器的分类

电化学免疫传感器按照在免疫分析过程中是否使用标记物可分为非标记型免疫传感器和标记型免疫传感器；按照测量信号的种类则可分为电位型、电容型、电导型和电流型四种。其中电流型免疫传感器是目前研究最成熟、应用最广泛的一种。

1、电位型免疫传感器

电位型免疫传感器是基于测量电位变化来进行免疫分析的生物传感器。1975年Janata等首次报告了这种免疫分析方法，他是通过聚氯乙烯膜把抗体固定在金属电极上，当待测抗原与固定在电极表面上的抗体特异性结合后，使电极上的膜电位发生相应的变化，膜电位的变化值与待测抗原的浓度之间存在对数关系。

已有报道基于同样原理，使用不同固定方法构制这类电位型免疫传感器用于测量乳腺癌抗原、乙型肝炎表面抗原、甲胎蛋白等。但是上述传感器不可避免的缺点就是灵敏度低、线性范围窄，并且不稳定。

2004年，袁若等利用吸附在铂电极表面Nafion膜中负电性的磺酸基与乙型肝炎表面抗体(HbsAb)分子中的氨基阳离子之间的静电作用实现抗体的结合，同时，通过纳米金增加抗体的固定量，以及聚乙烯醇缩丁醛(PVC)薄膜的笼效应把乙型肝炎表面抗体和纳米金固定在铂电极上从而制得高灵敏、高稳定的电位型免疫传感器，通过循环伏安法和交流阻抗技术考察了电极表面的电化学特性，并对该免疫传感器的性能进行了详细的研究，该免疫传感器具有制备简单、灵敏度高、线性范围宽、响应时间快、稳定性好、寿命长、选择性高等特点。同时，他们还研制了纳米金修饰玻碳电极固载抗体电位型免疫传感器用于检测白喉类毒素，获得了较为满意的结果。

2005年，Fu等将疏基乙胺组装到金电极表面，进而化学吸附纳米金颗粒，再将免疫球蛋白抗体(anti-IgG)吸附在纳米金颗粒表面，从而制得高灵敏的电位型免疫传感器。通过循环伏安法和交流阻抗技术考察表明，裸金电极和纳米金组装电极存在很大的差异，其检出限为12ng/mL，实验结果与ELISA实验结果相近，同样有效地解决了电位型免疫传感器灵敏度低、线性范围窄等缺点。

2、电容型免疫传感器

电容型免疫传感器是建立在双电层理论基础上的一种传感技术。物质的吸附和表面电荷的改变对双电层结构都产生显著的影响。一根金属电极插到溶液中时，电极/溶液界面的行为可以近似地看作是一个平板电容器，它能够储存一定的电荷，并能够给出类似于电容器界面区的模型。在给定电势下，金属电极上的电荷为电极/溶液界面的特性，由双层电容Cd表征，其典型值为10~40μF/cm2；但这并非是电容器，其电容值不依赖于所施加的电压，而Cd往往是电势的函数。电容传感器的测量原理比较简单，电解电容器的电容值取决于平板表面介电层的厚度及介电性质。电极上的电层电容可以用方程来表达：

C=A·eo·er/d

式中，eo为真空介电常数；er为电极与移动电荷隔离开的物质介电常数；A为电极面积；d为移动电荷同电极表面最近的距离。电解电容取决于电绝缘层和固/液界面的厚度及介电性质，由于在电极表面形成的复合体将导致电容的下降，当电极表面修饰上一层电绝缘性的物质时，d就会增大，从而电容会相应地降低；同时，介电常数的减小会引起电容的进一步下降。Bataillard认为这种结构是由几个电容器串联在一起组成的，它们之间的关系通过方程表示为：

1/CJ=1/Ci+1/Cb

测得的总电容用CJ表达，其中Ci是起始状态的电容，由介电层和固定在电极表面的分子识别体（抗体）构成，Cb是特异性结合受体（抗原）后的电容。在受体被接上后，根据上式，由引起的电容变化就可以得知被测物浓度与电容之间的关系。同其他生物传感器一样，敏感膜的制备技术是电容型免疫传感器中最为重要的环节。它要求首先在金属电极或者半导体表面形成一种电绝缘层，否则就会构成一种所谓的“短路”状态，电容型免疫传感器的成功与否在很大程度上取决于这一电绝缘层。

目前随着L-B膜技术、自组装膜(SAMs)技术的不断发展和完善，能够实现在分子水平上的定向组装，形成高度致密有序的单分子层或多分子层，为制备高灵敏的电容型免疫传感器提供了很好的途径。目前大多采用固体载体支撑的双层膜系统，因为这种载体支撑的双层膜系统能很好地将具有生物活性的膜蛋白分子固定到电极表面。测量电容的方法比较多，通常都是基于电化学交流阻抗谱而进行的。

3、电导型免疫传感器

电导型免疫传感器的原理与酶联免疫吸附试验(ELISA)基本相似，只是后者的结果是通过测定加入底物显色后的吸光度值来显示的，而前者则是将结果转换成电信号（即导电率）。

通常是通过锚定于电极上的酶标抗体中的酶催化底物产生电化学活性物质，在电场的作用下引起溶液的导电率增加，其增加值与待测抗原的浓度呈正比。

如Yagiuda用电导法测定了尿中的吗啡，解决了原来吗啡测量设备昂贵、费时、麻烦的问题。Sandberg等描述了一种以聚合物为基础的电导率测量式免疫传感器。由于待测样品的离子强度与缓冲液电容的变化会对这类传感器造成影响，加之溶液的电阻是由全部离子移动决定的，使得它们还存在非特异性的问题，因此，电导率测量式免疫传感器的发展比较缓慢。

4、电流型（安培分析）免疫传感器

安培分析免疫传感是将免疫技术和电化学检测相结合的一种标记性的免疫分析，其标记物有酶和电化学活性物质两类。常用来作为标记的酶有碱性磷酸酶、辣根过氧化物酶、乳酸脱氧酶、葡萄糖氧化酶、青霉素氧化酶和尿素水解酶等；以酶作为标记物的电化学酶联免疫分析首先将标记酶预先交联在抗体（或抗原）上，然后采用夹心法或者竞争法进行安培分析测定。

无标记电流型免疫传感器是进行实时监测抗原抗体结合的常用方法，这种非标记免疫分析是基于抗原抗体结合时引起电极电流密度的变化进行测定的，电位脉冲技术是最常用的检测手段。溶液导电性的变化引起的欧姆电流、电极表面膜内的离子交换氧化还原反应的法拉第电流、电极的充放电电流以及抗原同固定于膜内的抗体反应引起的电流构成了电极总电流，只要电解质不发生变化，前两者均保持不变，而在整个脉冲后期，充电电流也几乎降为零，此时，电流的变化速率仅由抗原抗体的结合速率决定。

电流型免疫传感器的测量分为两个步骤：首先，通过夹心式（或竞争）免疫反应将标记物结合在传感器上，并除去没有特异性结合的物质，消除非特异性吸附的影响；然后，通过测定标记物的信号来间接检测免疫反应引起的电流变化，对待测物的量进行测定。

与其他类型的电化学免疫传感器相比，安培型免疫传感器具有操作简单、成本低廉、灵敏度高、易微型化与阵列化等特点，近年来在医学实验诊断、食品安全、环境检测与工业生产领域受到广泛的重视与应用。

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来源：IVD分享库

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