综述：纳米片基电化学生物传感器在生物医学中的应用

《Critical Reviews in Analytical Chemistry》：Nanosheet-Based Electrochemical Sensors for Biomedical Applications

本综述系统阐述了纳米片材料在电化学传感器(EC sensors)领域的最新进展。文章重点介绍了各类纳米片（如石墨烯等）的独特结构特性及其在提升传感器灵敏度、稳定性和选择性方面的优势，特别强调了其在疾病生物标志物(biomarker)检测和药物分析中的巨大应用潜力，为开发新一代便携式、低成本床旁检测(POC)设备提供了重要参考。

　　

Abstract

早期诊断对于疾病治疗和改善个人生活质量至关重要。正因如此，各种用于疾病诊断的方法和技术正在不断发展。在这些技术中，传感器技术占有非常重要的地位。电化学传感器因其比替代方法更便宜、设计简单、检测灵敏准确、便携且适用于床旁检测等优势，被广泛应用于通过生物标志物检测进行疾病诊断。此外，它也非常适用于药物化合物的分析。近年来，通过用不同的纳米生物材料修饰传感器，其灵敏度和稳定性得到了提高。纳米片是这些纳米材料中的一种。本综述重点介绍了不同类型纳米片的结构特性和优势，及其在生物标志物和药物分析等生物医学应用中作为有前景工具的潜力。

纳米片与电化学生物传感器概述

在生物医学研究领域，实现疾病的早期、快速、准确诊断是科学家和临床医生共同追求的目标。电化学传感器作为一种强大的分析工具，凭借其高灵敏度、快速响应、低成本以及易于微型化集成等突出优点，在疾病生物标志物检测和药物分析中扮演着越来越重要的角色。其核心工作原理是基于生物识别元件（如酶、抗体、核酸等）与目标分析物之间的特异性相互作用，并将此生物学事件转化为可测量的电信号（如电流、电位、阻抗等）。

然而，传统电化学传感器的性能在很大程度上受限于其电极界面的性质。为了进一步提升传感器的性能，纳米材料的引入成为了关键策略。其中，纳米片材料因其独特的二维平面结构、高比表面积、优异的导电性和易于功能化修饰等特点，受到了广泛关注。这些特性使它们成为修饰电极、增强电子传递效率、固定更多生物识别分子的理想材料，从而显著提高传感器的检测性能。

纳米片的类型与特性

用于构建电化学传感器的纳米片材料种类繁多，每种材料都具备独特的物理化学性质，适用于不同的应用场景。

石墨烯及其衍生物纳米片： 石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化形成的蜂窝状二维晶体，是其他碳材料的基本结构单元。它具有极高的电导率、机械强度和理论比表面积，是构建高性能电化学传感平台的理想基底材料。氧化石墨烯和还原氧化石墨烯等衍生物，在保持较大比表面积的同时，其表面丰富的含氧官能团更有利于生物分子的固定，并通过π-π堆积、氢键等相互作用增强传感界面的稳定性。

过渡金属二硫属化物纳米片： 这类材料通式为MX₂，其中M代表过渡金属原子（如Mo、W），X代表硫属原子（如S、Se）。二硫化钼纳米片是最典型的代表，其类石墨烯层状结构具有半导体特性，且边缘位点具有高催化活性，可用于直接电催化某些生物分子（如过氧化氢、硝酸盐等）的氧化还原反应，从而构建无酶型传感器。

MXene纳米片： MXene是一类新兴的二维无机化合物，通常通过选择性蚀刻MAX相陶瓷材料的A原子层制得，其化学通式为M_n+1X_nT_x（其中M为过渡金属，X为碳或氮，T_x为表面终止基团如-OH、-F等）。MXene兼具金属级的高导电性和亲水表面，使其在电化学生物传感中表现出优异的电荷传输能力和生物相容性。

其他二维纳米材料： 此外，氮化硼纳米片、黑磷纳米片、层状双氢氧化物等二维材料也因其独特的电学、光学和催化性质，在特定传感应用中展现出潜力。

纳米片在生物标志物检测中的应用

生物标志物是指可以客观测量并评价正常生物学过程、病理过程或对治疗干预的药理学反应的特征指标。对疾病特异性生物标志物（如蛋白质、核酸、小分子代谢物等）的高灵敏检测是实现早期诊断的关键。

纳米片基电化学传感器在此领域发挥了重要作用。例如，将特异性识别癌胚抗原的抗体固定于石墨烯修饰的电极表面，可构建用于癌症早期筛查的免疫传感器。纳米片的高比表面积极大地增加了抗体的固定量，而其优良的导电性促进了抗原抗体结合事件与电极之间的电子转移，从而实现了对超低浓度癌胚抗原的检测。类似地，利用适配体功能化的MoS₂纳米片检测microRNA，或利用MXene纳米片负载酶分子检测葡萄糖、胆固醇等，都展示了纳米片材料在提升传感器灵敏度、选择性和稳定性方面的卓越能力。这些传感器为实现便携式、低成本的点-of-care诊断设备奠定了基础。

纳米片在药物分析中的应用

除了疾病诊断，电化学传感器在药物分析领域，包括药物质量控制、药代动力学研究和治疗药物监测等方面，也具有重要价值。纳米片材料能够通过吸附、静电作用或共价键合等方式富集药物分子，并促进其在电极表面的电子转移反应，从而提高检测的灵敏度和抗干扰能力。

例如，用于检测常见抗生素（如氯霉素）、抗癌药物（如甲氨蝶呤）或神经递质类药物（如多巴胺）的传感器，在引入纳米片材料后，其检测下限显著降低，线性范围拓宽，且在实际样品（如血清、尿液）中的回收率令人满意。这表明纳米片基电化学传感器在确保用药安全、指导个体化给药方面具有广阔的应用前景。

挑战与未来展望

尽管纳米片基电化学传感器取得了显著进展，但仍面临一些挑战。首先，纳米材料的大规模、可控制备与功能化修饰的重复性是需要解决的关键问题。其次，传感器在复杂生物样品（如全血）中的抗污能力和长期稳定性仍需进一步优化。此外，将传感元件与微流控技术、无线数据传输模块集成，以开发真正实用化的智能诊断系统，是未来的重要发展方向。

展望未来，随着纳米技术、材料科学和生物技术的交叉融合不断深入，具有更高性能、更低成本和更好用户体验的纳米片基电化学生物传感器必将为精准医疗和个性化健康管理做出更大贡献。