综述：电化学生物传感器：近期发展的前瞻性见解与未来方向

《Current Developments in Nutrition》：Electrochemical Biosensors: A Prospective Insight to Recent Developments and Future Directions

本综述系统梳理了电化学生物传感器（Electrochemical Biosensors）在即时检测（POC）技术中的最新进展，涵盖电极设计、传感矩阵性能、电路读出集成及稳定性等核心组件。文章重点探讨了伏安法（Voltammetry）、安培法（Amperometry）、电化学阻抗谱（EIS）等多种技术，并展望其在个性化医疗、环境监测等领域的应用潜力与临床转化挑战。

　　

电化学生物传感器：从基础组件到前沿应用的演进

Abstract

电化学生物传感器已成为目标物定性与定量检测领域一项令人振奋的解决方案，其旨在为个性化医疗、环境与毒理学分析以及治疗监测等提供先进的技术平台。这些生物传感器具有快速、灵敏、超低检测限和低成本的特点，使其成为大规模部署的潜在候选者。更重要的是，此类生物传感器从零开始的战略性设计，可以形成一种平台技术，易于推广至不同相关应用领域的类似传感器开发。最终，实现即时检测电化学生物传感器系统，迫切需要更新的电极设计、主要传感矩阵方面的高性能、电路读出的集成以及更好的稳定性和重现性。然而，要实现真正的现场演示，需要进行临床交叉验证，以对所开发的技术建立足够的信心。从技术角度来看，这些传感器涵盖了广泛的技术谱系——包括经典电化学方法（如伏安法、安培法、电位法等）、界面表征技术（如电化学阻抗谱、计时库仑法、电导法等）以及耦合/基于转导的测量方法（如电化学发光、光电化学等）——从而凸显了其科学严谨性、多功能性以及在不同生物传感平台中的广泛适用性。基于这些事实，本综述描述了电化学生物传感器的最新发展，涵盖了各个组件朝向即时检测技术的主题进展。讨论从对各组件及其当前趋势的初步熟悉开始，逐步深入到一些先进的应用特异性最新发展，最后以一个详尽的参考文献表格作为总结，该表格阐述了关键成就、挑战及提出的解决方案。

Introduction

自Leland C. Clark开创以来，电化学传感器在生物传感、药物疗法、毒理学分析、环境与食品质量监测等领域受到了极大关注。尽管应用领域广泛，但电化学生物传感器的关键结构可概括为四个组成部分：分析物、生物受体、转换器和读出器。随着这些传感器领域的迅速扩展，先锋技术、深刻科学见解、分析才华以及新的应用正在形成，这滋养了该领域并推动了每个组件乃至整个生态系统的创新。除了传统的三电极和电化学池为基础的生物传感器组装体，近期的研究焦点已集中在微型化、便携式、柔性且低成本的生物传感器上。在这一方向上，不同的设计策略正在演变，主要取决于特定的目标应用。值得注意的是，尽管应用范围多样，但有关这些生物传感器设计和组装的主要技术路线图，以及因此产生的关键挑战，仍然是相同的。一些重要的性能评估因素包括电极稳定性、重现性、灵敏度和选择性、功能层修饰的便利性等。

一个关键挑战在于生物传感器的重现性，这主要源于功能化方案。为了固定生物受体（如抗体、酶、适体等），电极表面通常会用纳米结构材料进行修饰，这些材料能增强负载效率并影响电极-电解质界面的电荷转移特性。若干研究提出了构建稳定且可重现的生物传感器组装体的方法，其中基底纳米材料层与电极表面的粘附至关重要。最后，一旦传感器器件得到优化，便携式接口电路集成以及数据采集与分析对于实现所开发技术的原型同样重要。

这篇简短的综述讨论了便携式电化学生物传感器的最新进展。为求简洁而全面，图1以图示形式概述了电化学生物传感器的组件、组装、设计以及几种检测技术。本文重点突出了当前的研究焦点、主要挑战及可能的解决方案，以期为未来发展提供路线图。第一部分致力于详细阐述电化学生物传感器的组件，下一部分则深入探讨一些有趣的应用场景。

Brief Overview and the Recent Advances of the Components

The analyte（分析物）: 指的是目标分子，例如蛋白质、小分子、DNA、RNA等，通常从血液、尿液、汗液或眼泪等体液中获取。然而，对非侵入性或微创传感器技术的关注推动了对样本量最小化的追求，有时甚至受限于体液的获取难度。因此，应用特异性的紧凑型电化学池备受青睐。同样地，对于环境、食品或水质监测应用，分析物可能存在于复杂基质中，这要求传感器具备高选择性。

Bioreceptor（生物受体）: 这是传感器的核心识别元件，负责特异性结合目标分析物。常见的生物受体包括酶、抗体、核酸适体、分子印迹聚合物等。近期的发展集中在提高这些受体的稳定性、亲和力以及将其固定于电极表面的新方法上。纳米材料的集成，如石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒等，通过提供大的比表面积和良好的导电性，显著增强了生物受体的固定效率和传感信号的转导。

Transducer（转换器）: 转换器将生物识别事件转换为可测量的电信号。在电化学生物传感器中，转换基于电化学原理。关键的转换技术包括测量电流的安培法、测量电位的电位法、测量电阻变化的电导法，以及测量界面阻抗变化的电化学阻抗谱（EIS）。每种技术各有优劣，适用于不同的检测需求和灵敏度要求。

Readout/Electronics（读出/电子器件）: 该部分负责处理来自转换器的信号，并将其转换为用户可读的形式。现代趋势是开发小型化、低功耗的集成读出电路，通常与智能手机或便携设备连接，实现数据的实时处理和可视化。这对于实现真正的即时检测应用至关重要。

Integration and Recent Application- Challenges and Strategies

In Vivo Monitoring（体内监测）: 超越依赖于收集分析物样本并进行离位分析的传统传感方法，现场传感和连续动态监测近来引起了极大兴趣。对人体内不同生物标志物或水体中污染物/重金属离子的连续监测需要稳定且可再生的生物传感器。在这方面，电化学传感方法提供了一种通用、可重复且通常可微型化的平台。挑战在于确保传感器在复杂生物环境中的长期稳定性、生物相容性以及抗生物污损能力。策略包括开发新型生物相容性涂层、自愈合材料以及无线供电和数据传输系统。

Point-of-Care Testing（POCT, 即时检测）: 将实验室级别的检测能力转移到床边、诊所或资源有限的环境中是电化学生物传感器的主要目标。成功的POCT设备需要满足ASSURED标准：价廉、灵敏、特异、用户友好、快速稳健、设备免费且可交付给需要者。电化学生物传感器因其固有的小型化潜力和快速响应时间而非常适合POCT。集成样品预处理、微流体通道以及用户友好的界面是当前研究的活跃领域。

Environmental and Food Safety Monitoring（环境与食品安全监测）: 电化学生物传感器在检测水体和食品中的病原体、毒素、农药残留和重金属离子方面显示出巨大潜力。其优势在于可实现现场快速筛查，弥补传统实验室方法耗时的不足。挑战主要在于提高在复杂真实样本中的选择性、抗干扰能力以及传感器的可重复使用性或一次性使用的低成本。功能化纳米材料的使用有助于提高选择性和灵敏度。

Conclusion

总之，电化学生物传感器是应用于各种生物传感平台的最有前途的传感器技术之一，它们具有转化为可现场部署的即时检测集成系统的巨大潜力。当前的研究重点在于探索用于疾病检测、预后、药物疗法和环境质量的连续监测的完全集成化生物传感系统。在这方面，便携式和可植入式电化学传感器是一个快速发展的领域。未来的发展需要跨学科合作，以解决材料科学、电子工程、化学和生物学交叉领域的挑战。实现从实验室演示到商业化和广泛临床/现场应用的转变，需要持续优化传感器性能参数，如稳定性、重现性、选择性和灵敏度，同时确保成本效益和用户可接受性。

Declaration of Competing Interest

?? 作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

Acknowledgments

作者感谢印度理工学院海得拉巴分校在他们研究过程中给予的坚定支持。