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本文聚焦纳米晶电化学发光（ECL）生物传感器，阐述其从实验室走向市场的进程。介绍 ECL 原理及纳米材料在其中的关键作用，如作为电极修饰剂、信号放大器和信号发射器等，还探讨其在即时诊断中的进展，对研究及市场应用极具参考价值。
1. 引言
电化学发光（ECL）是一种强大的分析方法，能高灵敏度、高精度检测痕量生物分子。它融合电化学氧化还原反应和光致发光发射过程，具有低背景、样本量需求少、动态线性范围宽等优点，可与多种技术联用实现高通量、多模式检测，已用于多种生物分子的定量分析。
生物传感器若要成为有效的诊断工具，需在真实生理样本中稳定且精确地发挥作用。纳米材料独特的电学、光学和物理反应特性，使其在 ECL 生物传感器中具有重要应用，如提高电子转移速率、增强信号发射等，可提升传感器的分析性能，推动 ECL 从传统实验室技术向可扩展的商业应用转变。尽管 ECL 生物传感器商业化面临诸多挑战，如标准化问题、纳米材料成本高和保质期短等，但因其优势明显，仍受到研究者的广泛关注。
2. 纳米材料在 ECL 生物传感器中的相互作用
ECL 发射机制主要分为湮灭和共反应剂途径，依赖电化学电子转移过程产生发光团物种的激发态，进而发光。ECL 电极系统不断发展，从传统玻璃碳电极系统向小型化电极生物传感器转变，包括单电极系统和双极电极系统等，以适应从实验室到商业即时护理应用的需求。
纳米材料在 ECL 过程中能显著提高发光信号效率，可用于电极修饰、作为 ECL 发射器、信号放大、颜色调节等，其多样性为设计纳米结构 ECL 生物传感器提供了可能。
2.1. 纳米材料作为 ECL 生物传感器的电极修饰剂
纳米材料修饰电极可增强 ECL 信号，但也面临挑战，如物理隔离粒子相互作用不足、样本可能因形态变化而降解等。生物传感器检测生物分子的准确性依赖其与特定目标生物识别元件的相互作用，纳米材料能增强生物分子附着稳定性、增加生物识别元件负载量、提高电子转移和电催化活性。
金纳米颗粒（AuNP）是常用的稳定金属纳米材料，修饰电极可提高 ECL 发光灵敏度和稳定性。碳纳米材料因其高导电性、大比表面积等特性，在 ECL 生物传感器中也有广泛应用，能增强传感器性能、稳定性、选择性和特异性。然而，电极修饰仍存在一些问题，如表面功能化的均匀性和可重复性难以实现，纳米材料的异质结构会导致 ECL 信号输出不一致等，这些问题限制了 ECL 生物传感器的性能提升。
2.2. 纳米材料作为 ECL 生物传感器的信号放大器
在实际生物样本中，早期生物分子浓度低、空间位阻大、导电性差，检测难度大，因此需要高灵敏度的检测策略。纳米材料凭借自身特性，在 ECL 生物传感器中可通过增强电子和能量转移反应、作为共反应剂加速器、催化发光团效率等方式放大 ECL 信号。
许多研究展示了纳米材料在信号放大方面的应用，如使用铕共价有机聚合物、共掺杂纳米杂化物等，均取得了高灵敏度的检测结果。但目前 ECL 信号放大策略仍存在一些机制和实际应用上的限制，如反应性自由基中间体的瞬态稳定性影响 ECL 发射效率和一致性，生物相容性、毒性以及在生理条件下信号放大效果不佳等问题，制约了 ECL 生物传感器的实际应用。
2.3. 纳米材料作为 ECL 生物传感器的信号发射器
获取完美的 ECL 信号较为复杂，新型 ECL 发射器的发展至关重要，可克服传统发光团的缺点，如量子产率低、信号强度弱、生物相容性差等。
众多研究开发出了多种新型 ECL 发射器，如基于金属氧化物纳米材料、铜纳米簇、苯基掺杂氮化碳等的发射器，这些发射器在检测不同生物分子时展现出高灵敏度、宽检测范围和良好稳定性等优势。不过，新型 ECL 发射器也面临挑战，如溶解性差、生物相容性不佳、稳定性和毒性问题，以及对发射途径的理解有限，影响传感器优化和信号重复性，限制了其在实际中的应用。
3. ECL 在即时诊断中的进展
准确的诊断方法对指导临床治疗至关重要，传统临床实验室诊断虽准确性高，但存在耗时久、偏远地区不可及等问题。即时诊断可在患者附近进行临床分析，快速识别疾病特异性生物标志物，但在检测准确性和速度平衡方面面临挑战，目前成功转化和商业化的即时诊断设备有限。
将纳米材料融入 ECL 生物传感器可显著提升其在即时诊断中的潜力，如提高检测灵敏度、选择性、响应速度，实现小型化和多路复用。近年来，多项研究展示了 ECL 在即时诊断中的应用成果，如检测 Mpox 病毒、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）及其相关代谢物、黄曲霉毒素 B1、微小核糖核酸（miRNA）等，还开发出了便携式、自动化的 ECL 检测仪器，结合智能手机技术实现实时检测和数据分析，展现出 ECL 在即时诊断领域的广阔前景。
4. 结论和未来展望
ECL 作为一种强大的分析技术，在检测生化分析物方面具有显著优势，但现有 ECL 生物传感器在复杂真实样本检测中仍存在局限。纳米材料在 ECL 生物传感器中发挥着关键作用，可影响电化学反应动力学、增强信号强度和稳定性，然而其商业化面临诸多挑战，包括检测协议标准化、纳米材料生物相容性和毒性问题、传感器制造方法的可扩展性以及与现有临床工作流程的兼容性等。
未来，随着纳米材料研究的不断深入，有望开发出更多新型 ECL 发射器和检测探针，加深对 ECL 机制和信号放大策略的理解，推动 ECL 从实验室研究向商业产品的转化，为生化检测和临床应用带来新的突破。
