用于细胞内电化学测量的单根纳米线传感器

《Accounts of Chemical Research》：Single Nanowire Sensors for Intracellular Electrochemical Measurement

单细胞分析中纳米电极传感器需突破制造精度、材料稳定性和表面修饰技术，以实现高灵敏检测代谢物、活性氧和神经递质，推动疾病机制研究。

　　

概要

细胞是构成生物体结构和功能的基本单位，细胞质和细胞器中的各种生化成分能够快速响应并发生动态变化。这些成分的任何异常改变都可能导致疾病。因此，单细胞分析对于探索生命活动以及理解疾病的发生和进展机制至关重要。纳米电化学传感器具有出色的特性，如高时空分辨率、强大的定量能力，以及能够实时监测特定细胞区域内的动态活动。随着纳米技术的快速发展以及对生物检测需求的增加，人们对用于单细胞分析的纳米电化学传感器提出了更高的技术标准。首先，需要在纳米级探针的精密制造工艺方面取得重大突破，以确保传感器在穿透细胞时具有极低的侵入性。此外，电极材料的制备过程也必须进行优化，以实现可扩展的生产同时保证高稳定性和重复性。同时，迫切需要开发精确可控的表面修饰技术，以获得高度特异性和灵敏度的功能化检测界面。满足这些要求的电化学纳米传感器的开发将大大提升对单个细胞内低浓度成分进行高灵敏度和选择性定量分析的能力。

本文全面概述了专为单细胞水平检测而设计的先进核壳纳米线传感器的发展情况，包括灵活的构建策略和细胞内检测方法，以及它们在解决重要生理学问题中的应用。通常，纳米线传感器由具有核壳结构的纳米线组成：核心是作为电极骨架的刚性纳米线，而外壳则是作为检测界面的导电和功能化材料。值得注意的是，具有高催化性能的导电纳米壳层可以在纳米线基底上批量合成并实现良好控制。这些灵活的合成策略使单根纳米线的应用范围超越了现有电极材料的限制。通过纳米制造技术，这些功能性纳米线可以组装成单根纳米线电极，用于高度敏感地监测单一物质；或者组装成多通道纳米线传感器，同时分析多种目标。

纳米线传感器通过结合多种检测模式（如安培法、电位法和库仑法）来定量监测细胞生命过程中的关键物质。因此，可以准确获得代谢物（如NADH和ATP）、氧化还原物质（如ROS/RNS和GSH）以及神经递质（如多巴胺和谷氨酸）在单细胞和亚细胞水平上的浓度和动力学信息。这有助于更深入地理解驱动细胞内正常生理变化和疾病发生的机制。特别是在抗癌药物的药效学调控机制、巨噬细胞中的氧化还原稳态以及神经递质的释放模式方面，已经取得了重要发现。