综述：用于便携式和可穿戴生物传感器的肽核酸探针：综述

本综述系统阐述了肽核酸（PNA）探针在便携式/可穿戴电化学生物传感器中的独特优势与应用进展。文章重点分析了PNA因其电中性骨架带来的高杂交特异性、盐浓度不依赖性、酶稳定性及低背景干扰等特性，使其尤其适用于唾液、汗液等未处理生物流体的直接检测。综述还评述了基于纸基（ePAD）、激光诱导石墨烯（LIG）、印刷电路板（LoPCB）等平台的PNA传感器设计，并展望了其在即时检测（POCT）、环境监测及个性化医疗中的未来方向。

　　

在生命科学和医学诊断领域，开发能够在资源有限或非实验室环境下稳定、准确检测生物标志物的便携式设备，一直是研究人员追求的目标。传统的DNA探针虽然应用广泛，但其带负电的磷酸骨架在复杂生物流体中易受酶降解、盐浓度变化及非特异性吸附的干扰，限制了其在即时检测（POCT）和可穿戴传感器中的直接应用。相比之下，肽核酸（PNA）作为一种合成核酸类似物，以其独特的性能优势，正成为新一代便携式生物传感器的理想识别元件。

肽核酸探针的电化学与分子基础

PNA的分子结构是其卓越性能的根源。其骨架由重复的N-(2-氨乙基)甘氨酸（AEG）单元构成，取代了DNA中的糖-磷酸骨架。这一关键差异带来了三大核心优势：

首先，PNA的电中性骨架消除了DNA探针间及其与电极表面之间的静电排斥力。这使得PNA与互补DNA（cDNA）形成的双链具有更高的热稳定性（熔解温度Tm通常每碱基高出约1°C），并且对单碱基错配更为敏感，一个错配即可导致Tm值显著下降8-20°C，从而提供了卓越的序列特异性识别能力。

其次，PNA的杂交效率对溶液离子强度的依赖性远低于DNA。在唾液、汗液等离子强度较低的生物体液中，DNA探针的构象会发生变化，影响杂交的稳定性和信号的一致性。而PNA探针则能保持稳定的构象和高效的杂交，这使得传感器无需复杂的样品前处理（如缓冲液调整）即可直接进行分析，极大地简化了操作流程，更适合便携式场景。

第三，PNA骨架不含天然的磷酸二酯键和肽键，因此对核酸酶（如DNase I）和蛋白酶（如蛋白酶K）具有高度的抵抗性。在含有活性酶的生物流体（如血清、唾液）中，PNA探针能长时间保持稳定，而DNA探针则会迅速降解，这确保了传感器在真实样本中具有更长的使用寿命和可靠性。

PNA探针在移动与可穿戴生物传感器设备中的优势

将生物传感器集成到便携式或可穿戴设备中，面临的核心挑战是如何在未处理的、成分复杂的生物流体（如全血、唾液、汗液、尿液）中实现稳定、可重复的检测。PNA的上述特性恰好针对这些挑战提供了解决方案。其盐浓度不依赖性允许传感器在生理离子强度或更低盐浓度的体液中正常工作；其酶稳定性保证了探针在含有各种水解酶的环境下不会失效；其电中性有效降低了与体液中带正电的干扰物（如蛋白质、金属离子）发生非特异性吸附的风险，从而获得更低的背景信号和更高的信噪比。这些特点使得基于PNA的传感器非常适合用于开发一次性试纸条、贴片式传感器等微型化、低功耗的POCT设备。

PNA基便携式生物传感器的技术趋势

研究人员已经将PNA探针成功集成到多种面向便携式应用的传感器平台中，展现了巨大的应用潜力。

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  纸基电化学传感器：利用蜡印刷或丝网印刷技术在纤维素纸上制造电极和微流道，成本低廉、易于丢弃。研究表明，通过金纳米颗粒修饰或共价连接（如利用高碘酸盐氧化纤维素产生醛基与氨基修饰的PNA结合）方式固定PNA探针，结合差分脉冲伏安法（DPV）或电化学阻抗谱（EIS）等检测技术，已成功用于检测microRNA（如miR-492）、人乳头瘤病毒（HPV）DNA以及SARS-CoV-2、H1N1、呼吸道合胞病毒（RSV）等多种病毒核酸，检测限可达皮摩尔（pM）甚至飞摩尔（fM）级别。这些传感器通常可与智能手机通过蓝牙连接的小型电位仪联用，实现数据的即时读取与分析，非常适合现场诊断。
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  无扩增电化学侧向流动检测平台：该平台将PNA探针固定于硝基纤维素膜上，通过精巧的微流道设计（如之字形延迟通道）实现靶标杂交与信号报告（如原位金沉积）的时间控制自动化。例如，用于检测乙型肝炎病毒（HBV）DNA的传感器，无需洗涤步骤，在7分钟内即可完成检测，展示了在资源有限环境下进行自动化、无扩增核酸检测的可行性。
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  印刷电路板上的实验室系统：LoPCB技术将微流控、电极和读出电路集成于标准的印刷电路板上，利于大规模生产和系统微型化。有研究在PCB的金电极上固定巯基修饰的PNA，在低离子强度缓冲液中实现了57 fM的高灵敏度、无标记DNA检测，凸显了PNA在苛刻条件下依然优异的杂交性能。
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  激光诱导石墨烯器件：通过CO₂激光直写聚酰亚胺薄膜即可制备出多孔、高导电性的石墨烯电极，工艺简单、成本低、易于图案化且基底柔性好。有工作利用芘修饰的PNA通过π-π堆积作用固定在LIG电极表面，无需任何化学交联剂，实现了对miRNA-141的 atto摩尔（aM）级别超高灵敏度检测，并与智能手机电位仪联用，展现了在可穿戴、柔性传感平台上的应用前景。

未来展望

尽管PNA基便携式生物传感器取得了显著进展，但其未来发展仍面临一些挑战和机遇。PNA的合成成本目前仍高于传统DNA，是制约其大规模商业化应用的一个因素。开发更高效、低成本的PNA合成方法是未来的重要方向。在技术层面，探索更多新型电极材料（如MXenes、黑磷等）、发展多靶标同时检测的阵列式传感器、以及开发能够识别蛋白质、小分子等非核酸靶标的PNA适体，将极大扩展其应用范围。此外，微流控技术更深入的集成以实现全自动“样品入-结果出”的分析流程，以及结合人工智能（AI）和云计算技术对传感器数据进行智能分析和远程诊断，将是实现下一代智能、互联POCT系统的关键。最后，推动PNA传感器在真实临床样本中的大规模验证，并解决其长期储存稳定性、标准化和监管审批等问题，是最终走向实际应用不可或缺的步骤。

总之，肽核酸探针凭借其独特的理化性质，为开发高性能、高稳定性的便携式和可穿戴生物传感器提供了强大的分子工具。随着相关技术的不断成熟和成本的降低，PNA有望在疾病诊断、健康监测、环境检测等领域发挥越来越重要的作用，推动即时检测技术向更便捷、更可靠的方向发展。