随着当代社会对健康的日益重视,疾病的预防、诊断和治疗得到了人们的广泛关注。因此,对用于疾病早期诊断的生物传感器的需求正在增加。生物传感器将蛋白、核酸与小分子生物标志物转化成声、光、电等信号以实现对多种疾病的早期诊断、药物反应调查和治疗效果评估。电化学生物传感器因其高灵敏度、分析速度快和高成本效益等优势被广泛的应用于多种疾病的早期诊断与检测。然而,现今基于疾病标志物检测的电化学传感器仍处于起步阶段,除了少数葡萄糖传感器的商用外,其他标志物检测的传感器仅限于实验室应用,限制这些电化学传感器实际应用的主要问题在于多数疾病标志浓度低,检测灵敏度不够;生物样本体量小,不足以完成大体系检测;实际样本非特异性干扰强,假阳性信号偏多等问题。本论文致力于解决传统电化学传感器存在的问题和限制,将开放式液滴体系与电化学传感器相结合,构建了以下几种新型电化学传感器:1.设计了一种超浸润纳米枝状金电化学传感器。传感器利用界面极端的浸润性将微升级检测液固定在亲水位点上形成开放式液滴检测体系,基底纳米枝状金结构增加传感器电化学灵敏度。这种在微液滴内的检测既节约了样本用量,也可进一步将标志物富集在较小的检测区域,成功的实现了对前列腺癌疾病标志物miRNA-141、miRNA-375和PSA的超灵敏度检测。这种电化学传感器首次将浸润性液滴管理与电化学检测相结合,在开放式微滴内的高灵敏度和低样品量检测方面显示着巨大的应用潜力。2.在超浸润纳米枝状金传感器的基础上将石墨烯引入到传感芯片内,设计了一种纳米枝状金/石墨烯基超浸润三模态生物传感器,解决微液滴体系检测容易受到环境与内部波动带来的假阳性信号等问题。具有电化学、荧光和SERS信号的探针DNA吸附在石墨烯基底上,加入特异性miRNA与DNA结双链从石墨烯基底释放,传感器上产生电化学、荧光和SERS信号的变化。通过调控石墨烯比例成功实现在微液滴对前列腺癌特异性标志物miRNA-375的三模态检测。与传统传感器相比,三模态传感平台可以根据三种信号耦合有效区分假阳性信号,提高检测准确性,在实际样本疾病标志物检测应用方向具有巨大的潜力。3.设计了一种开放式微柱集成化电化学传感器对痕量液滴阵列化电化学检测,解决浸润性开放式体系生物毒性大和稳定性差等问题,采用生物相容性优异的微柱平台进行痕量液滴检测。开放式微柱集成化电化学传感器包括用于阵列化液滴管理的微柱阵列平台和用于信号集成与传输的集成电路元件。每个微柱内植入独立的三电极体系作为独立的电化学传感单元,集成电路将所有的三电极都集成在一侧方便同时化与平行化控制一个或多个电化学传感单元工作。这种集成的微柱传感器实现了多种浓度葡萄糖的同步定量检测,具有优异的再现性和稳定性,并成功检测了人血清样品,在开发人体血糖调查和健康监测的小型化传感器件方向具有巨大的潜力。4.利用开放式微柱集成化电化学传感器进行多因素材料优化调控用于阿尔兹海默症多标志物检测。通过调控纳米枝状金沉积时间、电压与沉积液浓度,在微液滴反应器阵列中实现不同形貌与性能纳米材料的高通量与低消耗电沉积制造,并对不同材料电化学性能表征,选取最优纳米金结构对多种阿尔茨海默氏症生物标志物,包括Tau、ApoE 4、淀粉样蛋白β和miRNA-101的多浓度高灵敏性检测,这种开放式微柱集成电化学传感器具有高产量、低浪费、高通量、易获取等优势,在材料合成调控与疾病早期诊断和健康监测领域均有着广泛的应用前景。