基于纳米技术的多功能生物传感器：纸基和电化学诊断领域的创新

《Microchemical Journal》：Nanotechnology-enhanced multiplexed biosensors: innovations in paper-based and electrochemical diagnostics

　　• 关于纳米材料类别的详细概述，包括它们的物理化学性质、合成方法以及在生物传感器设计中的相关性。
• 对基于纸和电化学的生物传感策略进行比较分析，用于多重检测临床和环境相关的生物标志物。
• 前瞻性地讨论了将人工智能/机器学习辅助诊断、可穿戴生物传感和混合微流控-电化学系统集成起来，以实现即时、多重检测在床旁（POC）环境中的应用。

引言
对于癌症、传染病和自身免疫性疾病等复杂疾病的准确和及时诊断，越来越需要从单一生物样本中同时检测多个生物标志物。单一分析物检测策略在反映这些疾病的多因素性质方面存在根本性局限，因为疾病的发病、进展和治疗反应是由一系列相互作用的分子信号控制的[1]。多重生物传感器通过在一次检测中同时量化多个分析物来直接解决这一限制，从而提高诊断准确性、缩短周转时间并降低每次测试的总成本[2]。在床旁（POC）环境中部署这些传感器尤为重要，因为在资源受限的情况下，快速、可操作的数据可以直接影响临床决策[1],[2]。从概念上讲，多重检测指的是在单次检测、设备或测量周期内同时检测或量化两个或多个分析物。在生物传感中，这可以通过空间分离的检测区、基于颗粒或条形码的信号编码以及时间或频率分辨的读出策略来实现。然而，多重检测格式引入了分析挑战，如交叉反应、信号重叠、样本分布不均、分析物通道灵敏度损失、基质干扰和制造变异性。本文重点介绍了基于纸的平台，因为它们提供了低成本、一次性的、毛细驱动的可扩展格式，适用于分散式测试；同时强调了电化学平台，因为它们使用便携式仪器提供定量读出，并可以微型化为多电极阵列。基于纸的装置的重要性不仅限于临床诊断，在样本量有限、实验室基础设施不可用、需要快速决策或需要反复现场测量的情况下，其分析价值尤为明显。在传染病筛查中，基于纸的平台可以支持快速分诊和分散式测试；在环境监测中，它们可以在不将样本运输到中央实验室的情况下进行低成本现场分析；在食品安全方面，它们为分布式生产和供应链环境中筛查多种残留物、毒素或病原体提供了实用的手段。在资源有限的医疗环境中，基于纸的设备的低成本、毛细驱动的液体传输、一次性使用以及与视觉、智能手机和电化学读出的兼容性使其特别适合POC测试。因此，基于纸的多重生物传感器不应仅仅被视为实验室检测的简化替代品，而应被视为为临床、环境和工业相关场景设计的分散式、低容量和多目标检测的分析平台。

在迄今为止探索的各种多重生物传感架构中，基于纸的系统和电化学平台已成为实际应用中最有前途的候选者。基于纸的基底（包括侧向流动分析（LFAs）和微流控纸基分析设备（μPADs）在制造成本低、无需外部泵的毛细驱动液体传输、可生物降解性以及与大规模打印技术的兼容性方面具有固有优势[3]。电化学转换方法（包括安培法、电位法和阻抗法）通过提供低成本、便携式或最小化的仪器以及可达到皮摩尔级别的灵敏度，补充了这些基底的功能[4]。纳米材料的集成显著提高了基于纸和电化学的多重生物传感器的分析性能，并支持它们向临床和环境相关应用的进展。然而，广泛的临床或现场转化仍然有限，因为许多报道的平台仍然是实验室原型、加标样品演示或早期验证研究。

碳基纳米材料——石墨烯、碳纳米管（CNTs）和碳量子点——功能化的电极表面大大加速了异质电子转移动力学并扩大了可利用的电活性表面积，使得检测阈值低于纳米摩尔级别[5],[6]。金属纳米颗粒，特别是金（AuNPs）和银（AgNPs），具有双重作用：由于高表面积与体积比而作为电化学信号放大器；在基于纸的LFAs和μPADs中作为比色报告剂，其等离子体共振吸收提供了无需仪器的可见读数[7]。磁性纳米颗粒也通过预浓缩目标并在转换前选择性分离它们来减少复杂生物基质（如血清和尿液）中的背景噪声[8]。这些纳米材料界面的精心设计（适配体偶联、抗体固定或分子印迹聚合物涂层）赋予了多重操作所需的生物识别特异性，在这种操作中，多个捕获探针必须在共享的分析区域内以最小的交叉反应性发挥作用[5],[7]。在这种情况下，纳米材料的选择应针对每种多重检测架构的具体限制来考虑。光学或电化学编码的纳米颗粒可以减少分析物通道之间的信号重叠，磁性纳米颗粒可以改善目标富集和基质清洁，而导电碳基纳米材料可以补偿由于每个传感通道可用电活性面积减少而导致的灵敏度损失。因此，在多重生物传感中，纳米材料不应仅被视为信号增强剂，还应被视为改善信号分离、基质耐受性、交叉反应性控制和可重复探针固定的功能组件。

一些综述文章已经从不同角度讨论了基于纸的分析设备、电化学生物传感器、纳米材料辅助的生物传感和床旁诊断平台[9],[10],[11]。这些研究提供了关于制造方法、信号转换原理、纳米材料性质以及生物医学或环境应用的宝贵概述。然而，大多数现有综述要么广泛关注基于纸的装置、单一分析物电化学传感器或一般纳米材料增强的生物传感器，而没有批判性地探讨纳米材料如何具体解决多重操作引入的分析限制[11],[12]。相比之下，本综述关注基于纸的架构、电化学转换和纳米材料支持的多重检测的交叉点。重点放在信号编码、交叉反应性控制[12]、每个分析物通道的灵敏度损失[13]、基质干扰[13]、制造再现性[14]、验证状态和转化准备度上。这种区分使得综述能够超越对材料和平台的一般描述，对控制多重生物传感器实际性能的设计原则进行批判性评估。

尽管相关文献的增长迅速，但关于基于纸的电化学生物传感器的设计原则、纳米材料选择策略和多重检测架构的综合研究仍然缺乏。本文通过批判性地审查结合了纸或纸基杂化基底与电化学转换和纳米材料功能化的多重生物传感系统的最新进展来填补这一空白。我们评估了不同纳米材料类别对信号放大、生物识别和检测整合的贡献，并讨论了跨分析物干扰、长期稳定性和向法规级POC设备转化的剩余挑战。新兴方向，包括将这些平台与基于智能手机的读取器和机器学习辅助的信号解释相结合，也被强调为下一代多重诊断的关键推动因素[2],[4],[7]。

**多重生物传感：检测策略和操作挑战**
多重生物传感系统与传统的单一分析物平台的区别在于它们能够在单次测量周期内为两个或多个目标分析物生成独立且可分辨的信号。要实现这一点，需要在三个层面上进行仔细的架构设计：检测区的空间或光谱组织、正交信号编码策略的选择，以及保持灵敏度的纳米材料基放大元件的集成。

**用于多重生物传感的纳米材料平台**
多重生物传感从实验室演示到临床可部署设备的转化主要是通过将工程纳米材料战略性地整合到传感器架构中实现的。纳米材料不仅仅是作为被动基底，而是作为信号生成、目标捕获和转换的积极参与者——每种类别都提供了解决多分析物检测特定性能瓶颈的不同物理化学优势。

**基于纸的多重系统的设计和架构**
基于纸的基底为多重生物传感提供了独特实用的基础：它们价格低廉、可生物降解、与无需外部泵的毛细驱动液体传输兼容，并且适用于多种表面功能化化学[57],[58]。选择适当的纸类型（纤维素滤纸、层析纸、硝化纤维素膜或碳纤维纸）取决于孔径、孔隙率、机械强度和表面的相互作用。

**多重格式中电化学转换的原理和优势**
电化学生物传感器将功能化电极表面的生物识别事件转换为与分析物浓度成正比的量化电信号（电流、电位或阻抗）。三电极电池配置包括承载固定化生物受体的工作电极、稳定的参比电极和维持电流流动的对电极，提供了必要的可控电化学环境，以实现可重复的结果。

**挑战和未来方向**
尽管前文回顾了显著的进展，但在纳米技术增强的多重生物传感器能够实现常规临床和现场部署之前，仍需解决几个相互关联的挑战。在真实基质中的分析性能往往会在平台面临未稀释的生物基质（全血、尿液、唾液或食物匀浆）中含有大量干扰物时恶化。

**结论**
本综述考察了基于纸和电化学多重生物传感平台的设计原则、纳米材料集成策略和诊断应用，特别强调了结合这两种模式的配置。调查的证据表明，结构化纸微流控与电化学转换和工程纳米材料的结合产生了能够同时检测多个分析物的有前景的平台。

**作者贡献声明**
Ozge Ozufuklar：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、可视化、调查、概念化。
Serife Tozan Ruzgar：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、可视化、调查、概念化。
Aysenur Yardim：可视化、调查。
Nursima Ucar：调查。
Ilayda Yilmaz：调查。
Selin Yavuzhan：调查。
Emine Guler Celik：撰写——审稿与编辑、监督。
Suna Timur：撰写——审稿与编辑、监督。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。