综述：电化学尿素生物传感器：近期趋势与未来展望

《Microchemical Journal》：Electrochemical biosensors for urea detection: recent trends and future perspectives

本综述系统梳理了2018至2024年间电化学尿素生物传感器的最新进展，重点对比了酶促（EN）与非酶促（NE）两种技术路径。文章深入探讨了传感器构架、固定化技术以及安培法、电位法、阻抗法、伏安法和场效应晶体管（FET）等检测原理，强调了金属氧化物、石墨烯复合材料、导电聚合物等创新材料对性能的提升作用，并前瞻性地分析了机器学习（ML）与柔性电子技术融合带来的实时便携应用潜力。

　　

电化学尿素生物传感器：近期趋势与未来展望

引言

尿素检测作为生物标志物和肾功能、代谢紊乱及食品掺假的关键指标，其重要性已获得超过七十年的研究关注。尿素（又称碳酰胺）是一种羰基连接两个胺残基的有机化合物。人体、动植物体内尿素水平的异常波动会对其功能产生严重影响。在慢性肾脏病（CKD）中，尿素是最早被识别的尿毒症毒素之一。血液中尿素水平升高（即尿毒症）与CKD及其他代谢疾病相关，并可能累及心血管系统、胃肠道和肾脏。此外，食品工业中为虚增蛋白质含量而进行的尿素掺假（如乳制品）已成为全球性的食品安全问题。电化学生物传感器凭借高灵敏度、快速响应和易于微型化等优势，正成为尿素检测的重要工具。

生物传感器架构与分类

典型的酶促（EN）生物传感器包含生物受体、换能器、信号处理与数据采集三大模块。固定化技术对传感器性能至关重要，包括物理吸附、共价键合、包埋和交联等方法。电化学尿素生物传感器根据是否使用酶进一步分为EN和NE两类。EN传感器依赖脲酶（Urs）催化尿素水解：(NH₂)₂CO + H₂O → NH₄⁺ + CO₃^2?，通过检测铵离子引起的pH变化实现定量分析。脲酶是一种双金属镍基酶，能特异性结合水和尿素。NE传感器则直接利用电催化材料（如金属氧化物、碳材料、聚合物及其纳米复合材料）氧化或还原尿素，通过电子转移产生的电流或电压信号进行检测。例如，NiO基传感器通过Ni(OH)₂与NiOOH之间的转化催化尿素氧化。NE传感器因成本低、稳定性高而日益受到青睐。

电化学检测技术

1. 1.
   安培传感器：通过测量尿素氧化还原过程中产生的电流实现检测，具有高灵敏度特性。
2. 2.
   电位传感器：通过识别酶促反应引起的界面电位变化进行检测。
3. 3.
   阻抗传感器：通过分析电极-电解质界面阻抗变化来监测生物分子相互作用。
4. 4.
   伏安传感器：通过扫描电压测量电流响应，提供丰富的电化学信息。
5. 5.
   FET传感器：通过沟道电导变化检测表面电荷，具备高灵敏度和微型化优势。

EN与NE传感路径的对比分析

尽管EN和NE方法仍在并行发展，但当前趋势明显偏向NE路径。EN传感器中的米氏常数（K_m）是衡量脲酶与尿素亲和力的关键参数，较高K_m值有助于提升对低浓度尿素的检测灵敏度。NE传感器在稳定性和灵敏度方面表现更优，其检测限远低于EN传感器。材料创新是推动NE传感器发展的核心动力，特别是金属氧化物（如NiO、CuO）及其纳米复合材料通过提供丰富的活性位点显著提升了电催化性能。

新兴材料与技术趋势

绿色合成法制备的纳米材料因其环境友好、成本低廉且避免使用有毒试剂而受到关注。机器学习（ML）技术与传感器的结合，通过模式识别和数据挖掘显著提升了检测精度和抗干扰能力。柔性电子技术的发展为可穿戴尿素监测设备创造了条件，使实时、连续的健康监测成为可能。这些创新正推动尿素传感器向智能化、便携化方向演进。

结论与展望

当前尿素生物传感器虽已实现高灵敏度检测，但其广泛应用仍受限于稳定性、选择性和商业化瓶颈。未来突破需聚焦于：通过先进纳米复合材料和集成设计提升材料耐久性；开发新型固定化策略延长EN传感器寿命；增强在复杂基质中的抗干扰能力；推进与ML算法和柔性平台的深度融合。解决这些挑战将加速电化学尿素传感器在临床诊断、食品监管等领域的实用化进程。