Cảm biến điện hóa (electrochemical biosensor) là cảm biến chứa đầu thu sinh học có khả năng phản ứng đặc hiệu với chất cần phân tích tạo ra một tính hiệu điện tỷ lệ với nồng độ của chất cần phân tích đó. Có nhiều cách thức để nhận biết được sự thay đổi điện hóa trong suốt quá trình phản ứng, từ đó có thể phân loại thành các loại cảm biến điện hóa khác nhau như cảm biến dòng, cảm biến thế, cảm biến điện dung…
1.3.2.1. Cảm biến đo thế
Cảm biến sinh học đo thế (potentiometric biosensor) hoạt động dựa trên nguyên tắc xác định sự khác nhau về điện thế giữa điện cực nhạy ion (ion selective electrode - ISE) và điện cực so sánh (reference electrode) (là điện cực có điện thế không đổi). Sự khác nhau về điện thế giữa hai điện cực là hàm của hoạt độ các ion trong dung dịch điện phân nơi đặt điện cực (điều kiện hoạt động của điện cực đo
22
điện thế là không có dòng điện trong mạch đo, vì thế người ta gọi nó là điện cực có dòng điện bằng không). Điện thế này được xác định theo phương trình Nerst, trong đó điện thế tỷ lệ với hàm logarit của nồng độ chất phân tích.
Điện cực nhạy ion (ISE) là điện cực có khả năng tương tác chọn lọc với các ion tích điện cần quan tâm. ISE phải có thế điện cực được thiết lập đủ nhanh và có độ chính xác cao. Trong cảm biến điện hóa, điện cực nhạy ion thường dùng là điện cực màng và điện cực khí được chế tạo từ các kim loại trơ như Pt, Au hoặc từ màng thủy tinh.
Trong hầu hết các ứng dụng điện hóa, ngoài điện cực chọn lọc ion ta phải sử dụng thêm một điện cực có điện thế xác định và không đổi. Điện cực này được gọi là điện cực chuẩn hay điện cực so sánh. Điện cực chuẩn phải không tham gia phản ứng với bất kỳ thành phần nào trong dung dịch cần khảo sát, phải thuận nghịch và tuân theo phương trình Nerst, phải có điện thế không đổi theo thời gian và có thể lấy lại giá trị thế ban đầu sau khi có dòng điện nhỏ chạy qua. Hiện nay, điện cực chuẩn thường được sử dụng là điện cực calomel và điện cực Ag/AgCl.
1.3.2.2. Cảm biến đo dòng
Cảm biến đo dòng hoạt động dựa trên sự thay đổi của dòng điện chạy trong mạch có nguồn gốc từ sự khử hoặc oxi hóa điện hóa. Thông thường, trong cảm biến dòng, các phân tử đầu thu sinh học sẽ được cố định lên trên điện cực làm việc – working electrode (thường làm bằng Au, C hoăc Pt). Điện thế giữa điện cực làm việc và điện cực so sánh - reference electrode (thường là Ag/AgCl) được cố định không thay đổi và dòng sẽ được đo theo thời gian. Mật độ của các hạt tích điện tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy giữa hai điện cực.