Nature综述：个性化POC诊断设备的电化学生物传感的关键创新

在不同的生物传感平台中，电化学生物传感器特别适合于设备集成，因为易小型化、批量制造，电流和电势等电化学信号可以通过简单、便携、低成本的低功耗外围仪器进行采集。科学技术的进步引领了电化学生物传感器在可穿戴和植入式设备中的集成，来实现对生理分子的微创或无创连续测量。电化学生物传感器可以集成到柔性薄膜、纺织品、眼镜、牙齿和尿布中，来实现对不同生物流体（例如脑脊液、间质液、汗液、唾液、眼泪和尿液）中分子的长期检测。

近日，来自南京大学、东南大学、南京邮电大学的研究团队在杂志Nature reviews bioengineering上发表了一篇题为“Device integration of electrochemical biosensors”的综述。在这篇综述中，研究团队讨论了用于个性化POC诊断设备的电化学生物传感的关键创新。讨论了用于疾病诊断、健康管理、细胞监测和神经科学的电流型、电位型、有机电化学晶体管（OECT）、光电化学和电化学发光生物传感器的设计和集成，以及未来需要努力的方向。

电化学生物传感器是独立的分析设备，其中生物识别元件与电化学转导元件直接接触，以允许对分析物进行灵敏和特异的检测。根据设计和传感器类型，可以在不同体液（包括血液、唾液和眼泪）中快速分析与健康相关和疾病相关的生物标志物(如下图a)，如碳水化合物、蛋白质、核酸和细胞。电化学生物传感器，包括电流法、伏安法、电位法、有机电化学晶体管、光电化学和电化学发光传感器，可以集成到可穿戴、便携式和植入式设备中，以实现护理点诊断和健康监测。

电流型生物传感器：电流型生物传感器是检测代谢物（例如葡萄糖、乳酸和尿酸）最常用的传感器。靶特异性酶（例如，葡萄糖氧化酶（GOx）、或乳酸氧化酶）固定在工作电极上，以恒定电位催化靶的氧化（如下图b）。电流型生物传感器制造简单，在目标检测中具有高灵敏度和高选择性，适用于可穿戴应用。纳米材料也可以添加到生物传感界面促进电子转移，从而提高灵敏度并降低检测极限。例如，Au-Pt双金属纳米催化剂与纳米多孔水凝胶相结合，能够以180 μA cm–2 mmol–1的灵敏度，0.01 mg dl−1（0.56 μM）的检测限，使生物传感器与用于泪液葡萄糖测量的智能隐形眼镜集成。

伏安法生物传感器：疾病生物标志物，如蛋白质和核酸，是通过亲和识别来检测的，不能在生物传感表面直接产生电子转移。大多数亲和传感器都是伏安生物传感器，操作繁琐（下图b）。一步亲和传感器提供了一种更简单的方案，靶标的检测依赖于结合诱导的探针DNA刚性的变化，导至氧化还原标签靠近或远离电极表面，导至靶标生物传感的电流信号相应增加或减少。该信号可以使用DNA杂交策略进行扩增以提高敏感性；发夹DNA探针可以进一步提高这种DNA传感器的灵敏度。

基于邻近结合的亲和电化学生物传感器适用于蛋白质生物标志物检测。在这种生物传感器中，一对抗体-DNA亲和探针双重识别靶蛋白，启动DNA组装，导至电极表面上的电活性分子标记的探针DNA处于“开”或“关”状态。此类传感器的灵敏度可以通过DNA扩增策略进一步提高降至皮克每毫升或亚皮摩尔水平。

电位生物传感器：电位生物传感器通过测量与传感电极上的目标识别时表面电荷变化相关的电位信号，可以直接检测目标（下图c）。固体和液体膜电极可以集成到临床分析仪中，用于检测血液电解质（例如，Na+、K+、Ca2+、H+和Cl-）。酶、核酸和蛋白质可以通过将目标生物识别事件与离子反应相结合来检测。固体接触离子选择电极受益于坚固性和易于制造、修饰和小型化，允许通过检测从纳米粒子标记的探针释放的离子来进行蛋白质和核酸分析。所有固态离子选择电极也可以集成到可穿戴设备中，用于生物流体中的离子检测；例如，在柔性传感阵列上具有Na+和K+离子选择电极的可穿戴“智能腕带”能够对汗液中的Na+和K+进行原位分析。

有机电化学晶体管生物传感器：OECT生物传感器（下图d）与靶标的特定反应影响界面电位，从而产生用于靶标定量的通道电流响应。OECT生物传感器具有高灵敏度、低成本、灵活性、易于制造和低工作电压 ，允许通过静电相互作用或亲和力结合来检测电活性（例如多巴胺、葡萄糖和肾上腺素）和无电活性（例如皮质醇、DNA、蛋白质、细菌、细胞和聚糖）分子或生物大分子。

OECT生物传感器可以很容易地小型化、集成到设备中并设计成阵列。OECT生物传感器的灵活性和稳健性使其适用于可穿戴设备中生物分子的非侵入性检测。例如，织物OECT生物传感器可以嵌入尿布中，以监测人工尿液中的葡萄糖，通过蓝牙在手机上收集传感信号。

光电化学生物传感器：光电化学生物传感系统基于在生物传感器表面识别目标时光电流的变化，这由于电子供体和受体之间的光电化学反应而引起电荷或能量转移。光电化学生物传感器结合了光学和电化学分析的优势，特别是用于检测疾病相关分子，如谷胱甘肽、乳酸、DNA、miRNA、蛋白质肿瘤标记物和细胞。光电化学微生物传感器允许体内或单细胞分析；例如，使用荧光共振能量转移（FRET）过程，光电化学微生物传感系统可以选择性地监测活体大鼠大脑中的SO2，这是脑缺血（再灌注）和相关脑损伤的潜在标志物。

电化学发光生物传感和生物成像：电化学发光生物传感能够通过靶标识别引发的电化学发光发射信号对目标分子进行定量检测（如下图f）。电化学发光生物传感不需要光源，并且具有低背景、高灵敏度、良好的再现性以及高度的空间和时间控制，使其成为检测一系列疾病分子的强大分析工具，包括DNA、miRNA、蛋白质和肿瘤细胞。电化学发光生物成像非常适合于细胞分析，靶点包括从细胞释放的小分子和细胞表面的膜蛋白。膜蛋白的电化学发光成像通常通过亲和反应用电化学发光探针标记细胞来实现。为了量化检测，生物传感界面，可以与单细胞捕获微流体芯片相结合，从而能够高通量量化单细胞分泌的多巴胺。

电化学生物传感器可以集成到便携式、可穿戴或植入式设备中（如下表）。安培生物传感器是最发达和最常用的代谢物传感器，通常表现出良好的选择性、高灵敏度、良好的再现性；然而，酶的活性可能会受到环境的影响。电位生物传感器可以集成用于可穿戴汗液监测，特别是用于检测电解质。使用离子选择性膜，电位生物传感器显示出良好的选择性、再现性和稳定性；然而，它们的灵敏度较低。伏安法、OECT、光电化学和电化学发光生物传感器可以检测蛋白质和核酸，显示出良好的选择性和高灵敏度。然而，这种亲和生物传感器通常需要生物受体在电极表面的特定组装，这使得它们的制造比酶电极的制造更复杂。

便携式电化学传感器最初被开发用于监测糖尿病患者的血糖水平。个人血糖仪还可以通过将目标识别事件与葡萄糖的产生或消耗联系起来，检测金属离子、药物、有机代谢产物、酶、蛋白质、DNA和流感病毒。

对于需要预处理、信号放大和连续分析的复杂样品，电化学生物传感器可以与微流体系统相结合，例如用于检测SARS-CoV-2 RNA。电化学生物传感器也可以通过在纸上直接印刷电极与纸微流体设备集成。纸基微流体价格低廉，可生物降解，易于制造，并允许通过毛细管作用进行无泵流体传输。例如，具有流体通道和电极的纸可以通过折叠和层压组装成3D配置，用于检测腺苷（如下图b）。

可穿戴传感器可以与智能手表、手镯和眼镜集成，用于对心率、心电图和脑电图以及体液中的分析物的无创和连续监测（如下图a）。可穿戴电化学生物传感器主要用于葡萄糖监测，为糖尿病管理提供及时反馈。可穿戴集成传感阵列允许对汗液生物标志物进行多路检测，包括代谢物和电解质（如葡萄糖、乳酸、Na+和K+），允许在分子水平上对健康状态进行非侵入性和动态监测，例如，用于伤口愈合、治疗药物、药物滥用、营养的原位监测和囊性纤维化的诊断。也可以集成到机器人中，用于检测农业、安全和公共卫生应用的危险材料和病原体。

微流体装置可用于样品采集，用于生物标志物变化的时间相关分析。但电化学生物测定仍然很困难，因为它们需要多步操作来培养、扩增和洗涤，限制了其用于监测汗液中的蛋白质和核酸生物标志物。因此，需要创新的流体控制单元来实现多步骤生物测定的自动化。自供电可穿戴设备可以将机械能转换为电能，为多路复用生物传感器供电，并且该设计允许小型化。或使用生物燃料电池为可穿戴生物传感器供电；例如，使用眼泪中的抗坏血酸盐作为燃料，自供电隐形眼镜可以监测眼泪中的葡萄糖水平。。

便携式手指点刺血液测试准确，但频繁有创采样。可佩戴电化学生物传感是非侵入性的，但分析精度低。植入式电化学生物传感器结合了高精度和长期监测能力，（例如，皮下或血管内）可以提供葡萄糖水平的动态信息，以指导治疗调整。类似地，大脑中神经化学物质（如多巴胺和乙酰胆碱）的时空电化学传感可以指示神经元活动（如下图）。

软组织和可植入电极之间不匹配可能导至炎症反应和/或设备故障。因此，植入式电极应柔软且可拉伸，以便与软组织无缝对接。例如，通过将石墨烯纳米纤维嵌入弹性体基质中来制造柔软、有弹性和薄的电极，减少对肠道组织的损伤，不干扰胃肠道的蠕动，监测小鼠肠道中单胺类的动态。可植入生物传感器需要具有高体积能量密度（即每单位体积存储的能量）的充足电源或自供电电池，因为更换电池有感染和额外成本的风险。

电化学生物传感器是定量分析体液中生化分析物的强大工具，为基础研究和医疗保健应用提供动态生理过程的数据。电化学生物传感器在便携式、可穿戴和植入式设备中的集成实现了POC检测。集成电化学生物传感器在POC诊断中的工程挑战仍有待解决，例如，信号转导、调节（放大和滤波）、处理和无线传输需要改进；所有功能控制器和模块应集成在一块电路板上；需要实现设备的微型化、网络化和智能化。集成电化学生物传感器的商业化和广泛的护理点适用性将需要提高稳定性、灵敏度、再现性、多路复用和数字化，重要的是，需要低成本的材料和简单的制造方法。

需要开发简单、廉价、稳健和稳定的微流体系统，例如，使用纸张或亲水性和疏水性聚合物，这些聚合物可以折叠和/或打印成低成本的一次性设备。需要对电化学生物传感器进行设计，以实现一步生物传感，从而避免复杂的处理过程。需要设计更坚固、免维护的电化学生物传感器，以便进行长期健康监测；例如，基于酶的传感可以被基于纳米材料的催化传感所取代，后者较少受到环境条件（如温度、pH和离子强度）的影响。

集成电化学生物传感器的商业化和广泛应用将需要在改进传感技术和柔性材料以及整合电子、无线电子、数据处理和数据挖掘方面共同努力。