电化学生物传感器是结合电分析化学和生物传感的一类新兴电子设备，它是以生物材料作为敏感元件，以固体电极、气敏电极或者离子选择性电极等基础电极作为转换元件所构成的一类生物传感器。根据各自的输入和输出信号，电化学生物传感器可分为伏安/安培法、阻抗法、电位法、光电化学法和电化学发光生物传感器。
伏安和安培生物传感器
安培和伏安型生物传感器使用三电极系统操作，该系统包含一个作为工作电极(WE)的生物传感器，用于识别目标，一个作为电流源的反电极，以及一个施加稳定电位的参考电极。电流信号由WE上的电化学反应产生，用于目标定量。其中，基于酶电极的代谢物靶标的安培生物传感器是检测代谢产物（如葡萄糖、乳酸和尿酸）最常用的传感器。
图1 安培生物传感器工作原理（以基于酶电极的代谢物靶标的安培生物传感为例）
在安培生物传感器中，目标特异性酶（例如，葡萄糖氧化酶(GOx)，乳酸氧化酶或尿酸酶）被固定在WE上，以恒定电位催化目标的氧化。例如，葡萄糖仪通常使用安培生物传感器构建，使用GOx催化葡萄糖通过氧化还原介质（例如铁氰化物、二茂铁衍生物和过渡金属络合物）氧化，如图1所示。安培型生物传感器制作简单，对目标检测具有较高的灵敏度和选择性，适合于可穿戴应用。
电位型生物传感器
电位型生物传感器通常采用由工作电极（离子选择电极）和参比电极组成的双电极系统，通过测量与传感电极上目标识别时表面电荷变化有关的电位信号来直接检测目标。
例如，柏医健康基于Dexcom技术路线研发的持续血糖监测系统具有知识产权自主可控、工艺简单、响应快速、稳定性好、准确性高等优点。通过表面金属化、MEMS图案化工艺，实现4mm电极制备，比目前市面上流行的5mm电极短了20%，兼具高精度及低成本特性。利用国际首创先进涂层技术，开发穿刺力低于1N、直径仅0.45mm的穿刺针，仅需极小穿刺力即可完成无感植入。
图2 柏医健康自主研发的持续血糖监测系统
有机电化学晶体管（OECT）
有机电化学晶体管（OECT）是利用电化学掺杂调控有机混合离子电子导体的电导率从而实现开启、关闭状态切换的晶体管器件，具有场效应信号放大功能，具有低工作电压、高跨导、兼容低成本印刷加工等特点。
有机电化学晶体管（OECT）在高精度、低功耗的化学和生物传感、医学诊断以及新型柔性电子等领域中具有极大的应用前景。例如，柏医健康正利用有机电化学晶体管技术研发持续血糖监测系统，并于2024年获得浙江省重点研发计划领雁项目的支持。
图3 有机电化学晶体管工作原理（以利用有机电化学晶体管进行蛋白质的夹心免疫测定为例）
电化学生物传感器的技术挑战
电化学生物传感器是定量分析体液中生化分析物的有力工具，但目前在敏感性、特异性和再现性方面仍存在一些重大挑战。此外，还面临一些工程性难点需要攻克，例如用于穿戴或植入的柔性材料技术、电化学生物传感器与不同基材的批量制造和集成技术，信号转导、调整、处理和传输等。
表1电化学生物传感器的技术挑战
目前，柏医健康作为一家集高端医疗器械CDMO功能的智能生物传感器及智能神经调控器的器械开发及制造企业，已成功地将物理气相沉积（PVD）技术、磁控溅射法与激光切割结合法制备技术、生物质修饰薄膜表面化学镀金技术、MEMS技术等关键核心技术应用到生物传感器制备中，在环保、高精度、高一致性等方面实现了重要突破。未来，柏医将聚焦先进封装、智能传感技术、先进半导体技术的融合，努力为新质生产力赋能。
参考文献：
[1] Jie Wu, Hong Liu, Weiwei Chen, Biao Ma & Huangxian Ju.Device integration of electrochemical biosensors[J].Nature reviews bioengineering,2023,(1):346–360.
[2] 多维资本，《电化学生物传感器颠覆性变革生物检测方式，将支撑起数千亿下游应用市场》.
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