综述：非酶电化学胆固醇检测的研究进展：通过生物传感技术促进材料创新

本综述系统阐述了非酶电化学胆固醇生物传感器的最新进展，重点聚焦于新型材料（如金属/金属氧化物、碳/石墨烯基材料、聚合物、MOFs、MXenes、光电化学材料及先进复合材料）在提升传感器灵敏度、选择性和稳定性方面的应用。文章深入分析了不同电化学技术（如安培法、电位法、电导法、阻抗法）的传感机制，并探讨了当前在选择性、稳定性、实际样品分析及微型化方面面临的挑战，展望了其在即时诊断（POC）和个性化医疗领域的转化前景。

　　

胆固醇是一种甾醇脂质，对于维持新陈代谢和细胞功能等多种生物现象至关重要。然而，胆固醇水平的剧烈变化会导致严重的心血管疾病。即时检测技术的发展在频繁、精准监测胆固醇变化方面扮演着突出角色。虽然酶促生物传感器的引入彻底改变了胆固醇检测，但这些传感器面临着稳定性受限、成本高和对环境条件敏感等重大挑战。因此，非酶电化学胆固醇生物传感器因其更高的稳定性、更低的成本以及对环境因素不敏感等优势而受到广泛关注。

胆固醇：生命不可或缺的生物分子

胆固醇是细胞膜、激素和维生素D生成所必需的，也是合成类固醇激素和胆汁酸的关键组成部分。它在血液中通过脂蛋白运输，主要包括低密度脂蛋白（LDL，即“坏胆固醇”）、高密度脂蛋白（HDL，即“好胆固醇”）和甘油三酯。健康的血清总胆固醇水平约为5.17 mM，而浓度超过6.2 mM则与动脉粥样硬化、高血压等心血管疾病风险增加密切相关。监测胆固醇水平对于诊断和预防心脏病、肝脏问题、糖尿病等多种疾病至关重要。

电化学传感器：连接生物学与电子学

电化学传感器通过测量分析物与电极表面修饰材料相互作用产生的电化学响应来定量分析物浓度。其核心组成部分包括识别层（修饰电极）、换能器和信号读出系统。根据电化学响应类型，生物传感器主要分为电位型、安培型、电导型和阻抗型。

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  电位型传感器测量在接近零电流条件下指示电极与参比电极之间的电位变化。
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  安培型传感器通过测量分析物在特定施加电位下发生氧化还原反应所产生的电流来进行定量分析。
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  电导型传感器测量由于离子迁移或介电常数变化引起的电导或电容变化。
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  阻抗型传感器则通过测量系统阻抗来研究表面特性或识别反应，尤其在酶促反应研究中应用较多。

胆固醇检测技术：传感器与机制见解

早期的电化学胆固醇生物传感器主要依赖于酶，如胆固醇氧化酶和胆固醇酯酶。酶促反应通常会产生过氧化氢，其氧化过程可被检测。然而，酶传感器的局限性推动了非酶传感策略的发展。非酶传感器利用纳米材料本身的催化活性直接氧化胆固醇，避免了酶的缺点。其工作机制通常涉及纳米材料与胆固醇之间的电子转移和氧化还原反应，产生可测量的电信号。

非酶纳米材料胆固醇传感器的设计与性能

纳米材料因其高比表面积、可调的电子结构和优异的电催化活性，在非酶传感中扮演关键角色。根据材料类型，可将其分为以下几类：

a. 金属和金属氧化物纳米颗粒

此类材料（如Ni、Cu、Pd及其氧化物）提供了丰富的胆固醇氧化活性位点，有利于快速电子转移。例如，Cu₂O修饰的TiO₂纳米管传感器显示出高灵敏度。介孔NiCo₂S₄纳米片、Ag-Cu₂O@TNTs杂化结构以及Co₃O₄@CdS复合材料等也展现了优异的传感性能，具有高灵敏度、低检测限和良好的稳定性。

b. 碳和石墨烯基纳米材料

石墨烯、碳纳米管等碳材料具有高导电性、大比表面积和良好的生物相容性。例如，SnO₂-Pd/C纳米复合材料、铁氧化物修饰的蚀刻碳纳米管以及氮离子辐照后的明胶-Au@CD纳米共轭物薄膜等，都被用于构建高性能的非酶胆固醇传感器。NiO/石墨烯复合物利用石墨烯增强NiO的电化学行为，实现了高灵敏度检测。

c. 聚合物材料

分子印迹聚合物能提供对胆固醇的高选择性识别位点，而导电聚合物如聚苯胺、聚吡咯则能改善电荷转移和电极稳定性。例如，基于GO和印迹聚DMAEMA的铅笔石墨电极传感器，以及聚吡咯-多金属氧酸盐纳米杂化物，都展示了聚合物在非酶传感中的应用潜力。

d. MXenes和金属有机框架

MXenes是具有高导电性的二维材料，MOFs则具有高孔隙率和可调性。它们为胆固醇检测提供了新的平台。例如，Zn-Cu MOF@石墨棒杂化电极和Ti₃C₂T_x MXene纳米片制备的传感器都表现出极高的灵敏度、低检测限和良好的选择性，但在非酶胆固醇传感中的应用研究相对较少。

e. 光电化学生物传感器

PEC传感器利用光活性材料在光照下产生的电荷分离来增强电化学信号，从而显著提高灵敏度。例如，铈掺杂的ZnO纳米复合材料在光照下灵敏度显著提升。基于ZnO/C和Fe掺杂CuBi₂O₄的自供能PEC传感器，结合分子印迹技术，也展示了高选择性和灵敏度。

f. 先进材料与复合材料

通过将不同材料复合，可以协同提升传感性能。例如，NiO/MoS₂/聚甲基橙复合材料、Au纳米颗粒修饰的CdS量子点/TiO₂纳米管以及聚离子液体-钴多金属氧酸盐/碳材料复合材料等，都通过材料间的协同效应实现了超高的灵敏度、宽线性范围和快速响应。

挑战与未来展望

尽管非酶电化学胆固醇传感器取得了显著进展，但其实际应用仍面临诸多挑战：

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  选择性与抗干扰能力：在复杂的生物样品中，抗其他电活性物质的干扰是关键。
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  稳定性与可靠性：纳米材料电极的长期稳定性和重现性需要进一步提升和系统评估。
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  实际样品分析与临床转化：需要在真实的生物体液中进行广泛验证，并与标准方法进行比对。
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  集成与微型化：将传感器与可穿戴设备、微流控技术和无线传输系统集成，是实现即时检测和个性化健康管理的关键。
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  生物相容性与毒性：需要对所用纳米材料的长期生物安全性进行深入评估。

未来研究应侧重于跨学科合作，将材料创新、器件工程、临床验证和数据分析相结合，以推动非酶胆固醇生物传感器从实验室走向实际临床应用，最终为心血管疾病等的预防、诊断和个性化治疗提供强有力的工具。

结论

非酶电化学胆固醇生物传感器在稳定性、成本和性能方面展现出巨大潜力。纳米材料、电极修饰和检测技术的进步不断推动其发展。未来的研究重点应放在解决选择性、稳定性、实际应用集成以及临床验证等挑战上，同时关注器件的微型化、智能化和生物相容性。通过跨领域的共同努力，非酶胆固醇传感器有望在即时诊断和个性化医疗领域发挥革命性作用。