针灸针基生物传感器：界面工程、传感策略与应用

《Biosensors》：Acupuncture Needle-Based Biosensors: Interface Engineering, Sensing Strategies, and Applications

　　

摘要专业翻译 针灸针作为中医传统治疗工具，近年来已成为构建微创传感平台的重要基底材料。针灸针具有体积小、针尖几何结构锐利、机械强度高、生物相容性好以及易于插入组织等独特优势，使其在体内实时监测应用中展现出显著吸引力。本综述系统梳理了针灸针基生物传感器（ANBSs）的最新研究进展，重点围绕三个相互关联的核心方面展开：界面工程策略、传感策略及代表性应用。研究人员展示了电化学和表面增强拉曼光谱（SERS）两类主要的针灸针基生物传感器平台，并综述了它们在神经递质监测、疾病生物标志物检测、治疗药物监测、代谢物分析、穴位启动机制研究以及环境污染物筛查和食品安全评估等方面的应用。最后，研究人员还讨论了当前面临的挑战，包括长期不稳定性、活性位点不足、生物污损、信号漂移以及重现性不足等问题，并展望了未来发展方向，如材料优化、小型化与多功能化、智能传感策略及临床转化建议。通过将传统针灸针与先进分析科学相衔接，本综述不仅为生物传感器研究人员提供了系统的理论框架，也为下一代微创即时诊断工具的开发提供了启发。

论文主体内容总结

1. 引言

针灸针基生物传感器（ANBSs）是将传统中医针灸针与现代分析传感技术相结合而形成的新兴研究领域。针灸针具有针体直径小（通常为0.2–0.35 mm）、针尖锐利、机械强度高、生物相容性好等优势，适合构建经皮微创传感平台。与玻碳电极、丝网印刷电极相比，针灸针更适于构建微创、原位、实时的传感界面；与碳纤维微电极相比，针灸针穿刺能力强且不易折断，同时制造成本低廉。通过将功能纳米材料（如金属纳米材料、碳纳米材料和导电聚合物）、生物识别元件（如酶、适配体和抗体）、抗污界面设计以及先进信号处理策略整合到针灸针表面，可赋予其高灵敏度与高选择性。目前，电化学传感和表面增强拉曼光谱（SERS）是两种主要的传感策略。

1.1 文献检索策略与综述范围

相关文献通过PubMed和Web of Science数据库检索获得，检索更新至2026年8月。检索公式为“TS = ((‘acupuncture needle’ OR ‘acupuncture needle electrode’) AND (‘sensor’ OR ‘SERS’ OR ‘surface-enhanced Raman spectroscopy’))”，核心文献时间范围为2015至2026年。纳入标准为：传统针灸针或由其衍生的结构作为传感基底、工作电极、探针载体或传感系统的集成组件，并报告了分析性能或应用验证。仅基于常规注射针头、金属丝微电极或贴片式微针阵列的研究不被视为ANBS研究。

1.2 ANBSs的定义与分类

ANBSs的定义主要依据针灸针是否作为器件的传感组件。当针灸针或其直接衍生结构被纳入传感系统并在信号产生或目标物检测中发挥直接作用时，该器件被认定为ANBS。例如，针灸针可作为工作电极、场效应晶体管（FET）器件的传感基底，或光学/SERS检测的功能材料载体。常规注射针头、金属丝微电极和微加工微针贴片在不以针灸针为主要传感基底时不被纳入ANBS范畴。

2. 针灸针基生物传感器的传感策略与界面工程

传感策略与界面工程密不可分：传感策略决定了所需的界面性质，而界面工程（包括材料选择、结构设计和组装方式）决定了ANBSs的灵敏度、选择性和稳定性。

2.1 电化学ANBSs：传感策略与界面工程

2.1.1 电化学传感原理与器件设计

电化学传感是ANBS研究中最常用的策略，具有操作简便、灵敏度高、成本低和适合体内应用的微创特性。常规电化学ANBS采用三电极系统，包括工作电极（WE）、参比电极（RE）和对电极（CE），其中不锈钢针灸针作为工作电极。循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）用于评估界面修饰效果，差分脉冲伏安法（DPV）用于痕量分析物的定量检测，计时电流法（I-t）则支持连续实时监测。此外，FET基ANBS代表了一种独特的电学传感途径，其通过传感界面的变化调制晶体管沟道的电学特性，而非直接测量法拉第电流或阻抗。已有研究开发了基于针灸针的FET神经探针用于神经递质检测，以及双针FET构型用于大鼠脑内pH实时监测，响应为53.7 mV/pH（pH 4.0–9.0）。其他集成设计如“针中针”传感器和毛细管集成K⁺传感器，分别采用三电极电化学构型和电位式工作/参比电极配置。

2.1.2 修饰材料与功能化策略

电化学ANBSs通常构建双层功能界面：识别层包含生物识别元件（酶、抗体、适配体）或分子印迹聚合物（MIPs），赋予目标分析物特异性识别能力；转导层由导电材料（金属、碳纳米材料、导电聚合物）构成，增强导电性、扩大电活性面积并加速电子转移。识别层方面，抗体用于蛋白和病原体检测（如SARS-CoV-2抗原检测）；酶提供底物特异性识别和催化信号转换（如漆酶修饰针用于脑组织氧分压监测）；适配体具有广泛靶标适应性和易功能化特点；分子印迹聚合物（MIPs）因制备简便、稳定性高、成本低和高选择性而尤为常用，已应用于氯丙嗪、多巴胺、间皮素、β-淀粉样蛋白₄₂和尿酸等检测。转导层方面，金纳米颗粒（AuNPs）、铂纳米颗粒（PtNPs）及其双金属或金属氧化物复合结构被广泛使用。例如，Au/Pt双金属修饰针用于葡萄糖传感，Au/Cu双金属纳米簇结合MIP用于氯丙嗪检测。碳基纳米材料（石墨烯、还原氧化石墨烯（rGO）、多壁碳纳米管（MWCNTs））提供大比表面积和优异导电性。导电聚合物中，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）作为导电“胶水”固定碳纳米管（CNTs），聚苯胺（PANI）因其pH依赖性可逆电荷转移特性用于pH传感，聚多巴胺（PDA）则作为通用粘附层增强纳米颗粒稳定性。

2.2 光学ANBSs：传感策略与界面工程

针灸针的细长几何结构、机械强度和易于组织插入的特性使其成为表面增强拉曼光谱（SERS）的理想小型化基底。通过在针表面功能化等离激元纳米结构（金或银纳米颗粒、纳米岛、纳米星），可产生局域表面等离激元共振增强的电磁场（“热点”），从而强烈增强目标分子的拉曼信号。SERS基ANBSs可通过直接分子指纹检测或间接报告分子介导/比率型策略运行，可检测电活性和非电活性分析物。代表性研究包括：2017年报道的基于针灸针的表面增强共振拉曼光谱（SERRS）平台用于多巴胺检测，检测限达血清中0.1 nM和脑脊液中2.5 nM；2018年开发的PVP稳定的Au纳米颗粒修饰Ag针灸针，可插入多相系统进行原位检测；2019年报道的微槽限域设计，通过在Ag针上刻蚀微米级沟槽捕获AuNPs，用于孔雀石绿检测（检测限0.1 nM），并利用PVP作为内标提高重现性。近期研究进一步发展为集成探针工程，如将磁性SERS探针嵌入针灸针内磁性凹坑的“芯片-in-针灸针”平台，可同时评估pH、氧化还原电位和一氧化氮（NO）等多个生理参数。此外，基于4-巯基苯硼酸酯（4-MPBE）的探针用于H₂O₂检测，金纳米壳基探针用于急性伤口氧化还原电位评估，以及基于5-巯基-2-硝基苯甲酸（MNBA）的比率型pH和硝基还原酶（NTR）双参数检测平台等。大多数SERS基ANBSs仍依赖于体内相互作用或采样后体外拉曼读出的模式。

2.3 电化学与光学ANBSs的比较分析

2.3.1 电化学与光学ANBSs的差异

电化学系统将界面识别或催化事件转换为电流、电位、电导或阻抗信号，而光学系统将靶标结合转换为拉曼强度或等离激元响应的变化。电化学传感目前更为成熟和广泛采用，因为金属针灸针可直接作为工作电极，简化器件制造和系统小型化。SERS基ANBSs则具有高灵敏度、特征拉曼信号和可检测电活性与非电活性分析物的优势，且水的拉曼散射弱有利于水性生物环境测量。

2.3.2 电化学与光学ANBSs的相似性

两类ANBSs的分析性能均关键取决于界面材料和微/纳米结构设计。贵金属（金和银）纳米结构在两类平台中均被广泛采用，以扩大电活性面积、加速电荷转移、放大局域光场并提供选择性识别位点。微/纳米结构工程可增加针尖有效表面积、增强功能材料负载或改善传感界面稳定性。例如，Ni₆MnO₈纳米片直接生长于针灸针上形成三维多孔网络，用于抗坏血酸传感（灵敏度3106 μA·mM^?1·cm^?2）；聚焦离子束铣削制备的微槽可限域AuNPs，提高组织插入时的保留率和SERS信号重现性（RSD低于10%）。

2.3.3 ANBSs的性能评估与优化

ANBSs的分析性能因目标分析物、传感方法、样本基质和验证条件不同而存在差异。检测限（LOD）不应脱离实验条件进行比较。验证条件差异显著：部分传感器仅在标准溶液或加标生物样本中测试，部分在真实生物样本、离体组织或活体动物中评估。机械鲁棒性方面，表面修饰不一定损害针的机械完整性，但组织插入过程中涂层损失的量化和长期稳定性评估仍有限。稳定化策略包括“针中针”构型（外针保护传感界面）、微槽限域（减少纳米颗粒损失）、绝缘封装（环氧树脂涂覆针体仅暴露尖端活性区）以及抗污涂层（如聚乙二醇（PEG）基膜可减少82%的非特异性蛋白吸附）。操作稳定性方面，针中针依托泊苷传感器在大鼠腹腔液中120分钟测量后保持93.6%初始响应，双针FET传感器在大鼠脑内植入1小时前后pH响应相似。然而，重复组织插入可能引起涂层分层或材料脱落，纳米材料释放量及组织暴露的潜在生物安全性问题仍需进一步研究。

3. ANBSs的应用

3.1 生物医学诊断与治疗监测

3.1.1 神经递质

多巴胺（DA）是研究最广泛的神经递质靶标。代表性研究包括石墨烯修饰针灸针用于DA检测（检测限0.24 μM）、FET基针灸针神经探针区分正常大鼠与帕金森病模型大鼠纹状体DA释放水平、MIP层修饰MWCNT功能化针灸针实现高选择性DA识别，以及双金属纳米簇结合分子印迹界面实现DA和氯丙嗪的同时检测。血清素（5-HT）方面，PEDOT/CNT修饰针灸针微传感器实现了大鼠足三里（ST36）穴位5-HT的实时体内监测（PBS中检测限50 nM，细胞培养基中78 nM），Au/Pt双金属纳米颗粒结合表面印迹识别层进一步提高了血清、尿液和PC12细胞系统中5-HT检测的灵敏度和选择性。肾上腺素（EP）和去甲肾上腺素（NE）的监测也有报道，如AuNP/PDA/AN微电极用于EP检测，CNT/AuNT/AN传感器用于大鼠蓝斑核NE动态监测。

3.1.2 疾病生物标志物

基于表面分子印迹聚合物（SMIP）层和内嵌聚亚甲基蓝探针的骨桥蛋白（OPN）传感器，线性范围为0.01–1000 ng/mL，检测限低至3 pg/mL，成功用于人血清OPN测定。基于Au纳米颗粒和功能化聚合物界面的间皮素（MSLN）传感器检测限达10 pg mL^?1。针对神经退行性疾病，AuNPs和SWCNTs构建导电界面、内嵌血红素电活性探针和SMIP层集成的β-淀粉样蛋白₄₂（Aβ₄₂）传感器，线性范围100–1 × 10¹⁰ fM，检测限低至0.05 fM。

3.1.3 治疗药物监测

“针中针”电化学传感器用于抗癌药物依托泊苷的体内监测，MIP和Au纳米颗粒修饰的针灸针置于注射针内部，外层注射针在皮肤穿刺时保护敏感传感层，实现活体大鼠腹腔内药物浓度的长期稳定监测。氯丙嗪（CPZ）传感器基于Au/Cu双金属纳米颗粒和MIP界面，具有两个线性范围（0.1–100 μM和100–1000 μM），检测限0.07 μM，成功应用于人血清分析。异丙嗪（PMZ）传感器采用Au/Sn双金属纳米簇电沉积和表面印迹膜电聚合，线性范围0.5–500 μM，检测限0.14 μM，在人血清和环境水样中验证成功。

3.1.4 代谢物

葡萄糖是研究最广泛的代谢物靶标。Pt/Au/AN非酶葡萄糖传感器通过依次电沉积Au和Pt纳米颗粒，在近生理条件（pH 7.4）下实现人血清葡萄糖测定。松果状Ni/Au/AN电极检测限低至0.14 μM，CoCu-LDH/Cu₂O/ANE平台具有多孔有序纳米片结构，加速电子转移并增加葡萄糖氧化活性位点。尿酸（UA）传感采用氧化铝基无机MIP层修饰MWCNT功能化针灸针微电极，线性范围0.5–500 μM，检测限0.11 μM。抗坏血酸（AA）通过Ni₆MnO₈纳米片修饰电极检测，灵敏度3106 μA·mM^?1·cm^?2，检测限0.1 μM。

3.2 针灸机制研究与穴位相关传感

ANBSs可被直接插入穴位或特定脑区，实现对针灸刺激引发的生化信号的实时体内监测。局部穴位生化信号方面，PEDOT/CNT修饰针灸针实现了大鼠足三里（ST36）穴位血清素的实时体内监测，该研究强调穴位组织富含肥大细胞，针刺操作可促进肥大细胞脱颗粒并引起5-HT等生物活性介质的动态释放。石墨烯修饰针灸针传感器实现了穴位组胺的实时体内监测（检测限约4.352 × 10^?12 mol L^?1），比较了PC6穴位与非穴位的组胺动态响应差异，发现非穴位仅出现微小变化，而PC6穴位组胺呈先升后降的特征性曲线，峰值出现在约18分钟。中枢层面，Ag₂S/MoS₂/GAN微针传感器用于电针过程中高血压大鼠室旁核（PVN）内硫化氢（H₂S）的实时监测，发现电针足三里（ST36）和太冲（LR3）可显著增加PVN内H₂S水平，伴随血压下降，提示针灸降压效应可能与PVN内H₂S相关信号有关。

3.3 环境监测与食品安全分析

3.3.1 重金属离子与病原体

CS/COF/PEDOT:PSS修饰针灸针电极用于水产品中Cd(II)检测，采用差分脉冲阳极溶出伏安法，线性范围400–2400 μg/L，检测限13.8 ng/L，成功应用于扇贝样品分析。自校准比率型适配体传感器在针电极平台上实现Cd(II)和副溶血性弧菌的同时检测，Zn-Co-MOF@AQ既作为信号放大纳米界面又作为内参（蒽醌产生稳定参考信号），亚甲基蓝和四甲基联苯胺分别连接靶向Cd(II)和副溶血性弧菌的适配体，检测限分别为0.48 ng/L（Cd(II)）和1.39 CFU/mL（副溶血性弧菌）。SARS-CoV-2抗原检测方面，共固定抗污聚乙二醇（PEG）和SARS-CoV-2抗体的双功能针灸针传感器，在聚(EDOT-COOH-co-EDOT-N₃)功能化针表面实现超灵敏检测与强抗污能力结合。

3.3.2 有机污染物

微槽限域的SERS活性银针灸针用于孔雀石绿（水产养殖中禁用致癌物）检测，微槽保护AuNPs在插入过程中不被擦除，可直接插入鱼组织进行无标记检测，检测限0.1 nM。分子印迹策略方面，三维珊瑚状Au纳米棒、聚多巴胺和电聚合分子印迹聚吡咯层功能化的针灸针微电极用于甲氧苄啶（TMP）检测，线性范围0.05–50 μmol L^?1，检测限0.017 μmol L^?1，成功应用于湖水、土壤和药物胶囊样品分析。

4. ANBSs的挑战与未来方向

当前面临的主要挑战包括：第一，针灸针表面修饰层的机械鲁棒性不足，皮肤穿刺或重复插入时涂层可能开裂、分层或剥落，导致信号波动和潜在生物安全性问题；第二，体内长期稳定性受生物污损和界面退化严重限制，蛋白质、细胞、脂质等吸附形成绝缘层，增加电荷转移电阻并导致信号衰减或漂移；第三，生物识别元件的长期可靠性问题，酶的变性失活或泄漏会降低灵敏度和特异性；第四，集成度和便携性不足，许多ANBSs仍依赖传统三电极系统，工作电极和参比电极需分别植入，增加侵入性和操作复杂性。未来发展方向包括：开发具有改进导电性、柔性、生物相容性和结构鲁棒性的先进功能材料（如二维纳米材料、多孔导电框架、可降解聚合物、液态金属和杂化纳米复合材料）；表面/界面工程（引入亲水基团、抗污涂层、多孔微结构或粗糙化电极架构）；以及计算和智能传感策略（机器学习和化学计量学方法用于漂移校正、自适应校准和特征提取）。

5. 结论

针灸针基生物传感器已从简单的修饰针电极发展为多功能传感平台，结合了功能材料、识别元件和不同信号转导策略。电化学传感因其相对简单的仪器和定量读出仍是最广泛使用的策略，而SERS传感在高灵敏度和分子特异性检测方面提供互补优势。当前限制进一步发展的挑战包括功能涂层在组织插入过程中的稳定性、生物污损、信号漂移、长期传感稳定性和重现性。未来研究应聚焦于改进功能材料和界面稳定性、增强抗污性能，推动ANBSs成为微创生化监测和研究针灸相关生理过程的有用工具。