电化学自供能生物传感器：能量转换—分子识别耦合与自主诊断转化设计框架

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Electrochemical self-powered biosensors for autonomous diagnostics and monitoring: energy sources, recognition interfaces, and translational design rules

　　

电化学自供能生物传感器（electrochemical self-powered biosensors）是一类自主平台，可将生化能、微生物能、光化学能或机械能转化为诊断信号，从而降低对电池和常规恒电位仪（potentiostat）的依赖。其紧凑、低功耗的运行特性使其适用于可穿戴监测、即时检验（point-of-care testing, POCT）、植入式器械和环境分析。本综述主要聚焦本征型自供能电化学平台，包括酶燃料电池（enzymatic fuel cells）和微生物燃料电池（microbial fuel cells, MFCs）、基于细胞器的系统（organelle-based systems）、非生物型器件（abiotic devices）及样品供能传感器（sample-powered sensors）；同时讨论部分摩擦纳米发电机/压电纳米发电机（TENG/PENG）系统，以说明机械收集能量如何支持电化学传感。重点阐述连接能量产生与分析特异性的分子识别界面，包括酶、微生物生物膜、细胞器、抗体、适配体、核酸、分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymers, MIPs）、纳米酶、离子选择性膜（ion-selective membranes, ISMs）及纳米结构电极。研究人员讨论这些界面如何调控电流、电压、功率、光电流、电子转移和电荷存储，并强调提升识别效率、电子转移、传质、抗污染性能和稳定性的策略。主要挑战包括低功率密度、不稳定生物界面、介体泄漏、生物污染（biofouling）、基质效应（matrix effects）、运动伪影（motion artifacts）、可扩展性、生物相容性及标准化不足。最后，研究人员提出设计原则，以开发稳健、选择性好、可制造且具有临床相关性的电化学自供能生物传感器，服务下一代自主诊断。

1 引言
电化学生物传感器虽灵敏、快速、低成本且易小型化，但常依赖外部电源、恒电位仪（potentiostat）、电池和信号处理电子学，制约可穿戴、植入、即时检验（POCT）和远程诊断中的自主连续监测。电化学自供能生物传感器将生化、微生物、光化学或机械能转为诊断信号，其中酶和微生物燃料电池（MFCs）可同时供能与识别。本文聚焦本征型平台，将部分TENG/PENG系统作为供电辅助、自充电或混合架构对照，并建立连接能量源、识别界面、信号产生、分析性能、器件架构与转化成熟度的设计规则框架。

2 电化学自供能生物传感器的概念分类
该领域术语涵盖酶/微生物燃料电池、样品供能、自供能光电化学及纳米发电机辅助/储能混合系统。作者将无外加偏压、由生化或电化学过程产生分析物依赖信号的本征型平台列为主要范围，包括酶燃料电池（enzymatic biofuel cells）、MFCs、细胞器、非生物型和样品供能器件；仅纳入具有明确电化学传感与生化识别的TENG/PENG辅助系统，并分为供电辅助、自充电和混合型。平台可按能源、识别界面和转导三功能描述，三者可合一或分离；设计规则中的阈值是实用基准，非正式标准。

2.1 基于酶燃料电池的自供能生物传感器
酶燃料电池（EBFCs）以氧化还原酶催化燃料氧化和氧化剂还原，酶兼具识别与催化功能，靶标可兼作燃料，适合葡萄糖、乳酸、胆固醇、乙醇及汗液监测。性能受酶动力学、固定化、电子转移、传质、电极结构和样本组成共同影响。评估需同时报告灵敏度、选择性、线性范围、检测限、响应时间、重现性和稳定性，以及开路电压、短路电流、功率密度、内阻和低功耗读出兼容性。设计规则强调直接/介导电子转移、界面稳定、分析与能量指标联报、内源燃料适配及真实基质验证。

2.2 基于微生物燃料电池的自供能生物传感器
MFCs利用活微生物或电活性生物膜氧化有机物，输出反映底物利用、代谢活性或毒性抑制，分为底物效应和微生物活性效应，用于BOD、COD、可同化有机碳（AOC）及毒性监测。其复杂基质适应性和长期自主运行突出，但分子特异性较低，受菌群、膜龄、pH、温度、溶解氧、流速和电极结构影响。设计规则包括匹配单菌/混合菌群，优化生物膜、电极/生物受体比和流场，以标准方法基准化，校准环境变量并在真实水样中验证长期漂移与恢复。

2.3 基于细胞器的燃料电池自供能生物传感器
该类平台用线粒体、类囊体膜及光系统等亚细胞结构作为生物电催化单元，保留组织化电子传递链，可响应底物、呼吸/光合抑制剂、氧化应激和环境胁迫，并实现光驱动输出。其受分离困难、膜脆弱、离体活性损失、寿命短、电子转移低和光损伤限制，仍属新兴且有机制价值的平台。设计规则强调保持细胞器完整性与天然电子链，用纳米材料或介体增强电耦合，控制光照，与非细胞器平台基准比较，并以至少三个独立分离批次评估批间重现性（作者建议）。

2.4 供电辅助、自充电与混合电化学生物传感平台
此类系统从与靶标无关的机械或辐射源采集能量，须另设识别或电化学传感层。供电辅助型由独立采集器支持传感模块，自充电型含储能级，混合型整合多路径；TENG/PENG不应自动视为本征型电化学自供能生物传感器。

2.4.1 摩擦纳米发电机辅助电化学生物传感器
TENG经摩擦起电和静电感应将体动、振动或接触-分离转为电能，主要作为电化学传感、无线传输和低功耗电路的电源；仅压力、运动或触觉传感不构成电化学生物传感器，除非驱动电化学传感、支持生化读出或整合经验证的识别界面。其输出受运动幅度/频率、接触面积、湿度、负载和封装影响。设计规则要求区分能量采集与电化学传感，匹配电源管理功耗，规定条件下评估机械耐久性（作者建议至少100次连续循环），解耦运动波动与目标响应，并联报采集与传感指标。

2.4.2 压电纳米发电机辅助电化学生物传感器
PENG基于压电效应将形变、压力、弯曲或体动转为电信号，自身非电化学生物传感器，需与酶反应、识别层或电化学读出耦合；酶/ZnO纳米阵列等属于压电生物传感，分析信号仍为压电输出。更实际作用是作为辅助能量采集器为传感电路或无线传输供电。设计规则强调明确生化识别界面，匹配压电材料与固定化/生物相容需求，在至少三个代表性运动条件及静止基线下评估输出（作者建议），区分运动依赖采集与目标响应，并明确PENG供能角色与真实分析转导机制。

3 电化学自供能生物传感器中的分子识别界面
识别界面决定自生电信号是否具有分析价值，连接能量产生、电化学转导与诊断特异性。燃料型靶标可由酶直接识别并调控输出；蛋白质、核酸、抗原、细胞和外泌体等非燃料靶标需抗体、适配体、DNA探针、MIPs、离子选择性膜或纳米酶界面。识别层须保持或调制内部信号，同时避免过度电阻、扩散限制和催化抑制，亲和型体系中能源、识别与转导功能分离。

3.1 酶基识别界面
酶界面最成熟，EBFC中酶提供底物选择性并催化产能，葡萄糖、乳酸、乙醇和胆固醇等可兼作靶标与燃料，适合可穿戴和植入。其受pH、温度、氧、固定化、介体稳定性、变性浸出和基质效应限制；埋藏活性中心需介体、导电聚合物、碳纳米材料或氧化还原水凝胶改善电子转移。

3.2 微生物生物膜界面
电活性生物膜作为活体识别与生物电催化层，经直接电子转移、导电菌毛、外膜细胞色素或介体传电子，输出反映代谢、底物和毒性抑制。其复杂环境适应性强，但特异性较低，受菌群、膜龄、pH、温度、溶解氧、离子强度和水力条件影响，目前更适合水质与毒性监测。

3.3 基于细胞器的生物电催化界面
线粒体和类囊体膜可响应底物、抑制剂、氧化应激、光合抑制剂、除草剂和光强变化，导电支架与PEDOT等可改善光驱动电子收集。作为识别元件仍受分离、膜脆弱、寿命短和电子转移低限制，定位为新兴界面。

3.4 抗体识别界面
抗体-抗原结合可通过阻碍电子转移、增加界面电阻、改变光电流或限制氧化还原物种接近而调制输出，适用于蛋白质、病原体、毒素和心肌肌钙蛋白I等非燃料标志物。抗体昂贵、脆弱、易非特异吸附且再生有限，需稳定固定、抗污染和可靠校准，通常为非燃料识别层。

3.5 适配体识别界面
适配体为可化学合成的单链DNA/RNA受体，靶结合引起构象、位阻、电子转移距离、介体扩散或催化活性变化，已用于肌红蛋白等检测并可集成碳纳米管、金纳米颗粒、石墨烯或MXenes。其性能受亲和力、折叠稳定性、表面密度、离子强度和非特异吸附影响，与抗体互补而非普遍优越，通常也为非燃料识别层。

3.6 DNA探针与核酸识别界面
DNA探针可编程识别miRNA、病毒RNA、细菌DNA、循环肿瘤DNA和单核苷酸多态性，但核酸非典型燃料，需EBFC或自供能光电化学平台另行供能。低丰度靶标常需DNA行走器、DNA酶行走器、催化发夹组装（CHA）、杂交链反应（HCR）或电容辅助放大，将杂交转为电流、电压、电荷或光电流变化。局限包括发夹泄漏、核酸酶降解、非特异吸附、慢杂交、表面拥挤和多步操作降低自主性。

3.7 分子印迹聚合物界面
MIPs围绕模板形成尺寸、形状和化学功能匹配的空腔，低成本、化学稳健、储存稳定，通常作为选择性界面层，通过阻碍电子转移、限制底物/探针接近、增加电阻或降低光电流调制自生信号，适合糖蛋白、农药、毒素和代谢物等非燃料靶标。局限包括模板去除不全、非特异吸附、再结合慢和大分子印迹困难；薄层、表面/表位印迹和硼酸亲和可改善传质与电子转移。

3.8 纳米酶与仿生催化界面
纳米酶和仿生催化剂可补充或替代天然酶，提高pH、温度、储存和化学胁迫下的催化稳健性，已用于葡萄糖氧化酶/MnO₂混合燃料电池、非酶Au纳米簇/Pd纳米立方体与Fe₃C@C–Fe单原子催化体系及以H₂O₂为燃料的自供能传感。其分子选择性通常低于酶、抗体、适配体或MIPs，且受pH、溶解氧、干扰物、表面中毒、聚集和浸出影响，更适合作催化、电子转移增强或信号放大组分。

3.9 离子选择性与化学识别界面
离子选择性膜将自供能可穿戴传感扩展至pH、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、NH₄⁺和Cl^?等电解质标志物，固体接触电位法为主，导电聚合物、碳纳米管、还原氧化石墨烯和MXenes作为固体接触。因这些离子非生物燃料电池燃料，其检测依赖电位、电导、摩擦电或电容变化，通常需独立采集器供电或由离子结合门控采集信号；该类界面还可提供pH、离子强度、温度和汗率以校正酶传感器。局限包括电位漂移、参比不稳定、离子载体泄漏、膜脱水、污染和能量波动，结构上更接近TENG/PENG辅助系统。

310 界面工程策略
碳纳米材料、金属纳米颗粒、导电/氧化还原聚合物、水凝胶、多孔电极和抗污染涂层用于增强识别事件与电流、电压、功率、光电流或储存电荷的耦合。碳材料提供高比表面积和固定化表面；金纳米颗粒提高负载与Au–S固定；PEDOT、聚吡咯、聚苯胺及锇/二茂铁型氧化还原聚合物促进电荷转移；水凝胶保持生物活性，多孔电极增加活性面积，亲水/两性离子层减轻非特异吸附。过厚或低导层会增加扩散阻力并削弱自生信号，故需系统协同设计。

3.11 分子识别界面的挑战与设计规则
识别界面既赋予分析价值，也造成概念验证到应用的主要障碍。受体不稳定、生物污染、非特异吸附、慢传质和弱信号耦合同时损害分析与产能；酶可变性浸出，微生物膜受膜龄和环境波动影响，细胞器膜脆弱，抗体、适配体、DNA、MIP、纳米酶和离子膜各有固定化、再生、选择性和基质兼容性权衡。复杂样本中盐、蛋白、细胞和氧化还原干扰物可污染表面或改变局部环境，可穿戴中汗率、蒸发、温度和运动伪影进一步降低可靠性。设计规则强调按靶标匹配受体，将识别直接耦合至可测电输出，在不抑制信号下增强抗污染，并尽早用真实样本验证；评估须同时包含分析指标和自供能指标。

4 转化障碍与未来设计规则
转化障碍包括功率管理、界面稳定性、真实样本可靠性、可规模制造及评价/报告标准化。生物燃料电池输出常不足以持续无线通信、信号处理或显示，需电荷泵、电容/超级电容、间歇占空循环和NFC/RFID等低功耗读出。长期运行受酶变性、辅因子耗竭、介体浸出、氧依赖、生物膜演替、环境波动及细胞器膜脆弱影响；真实样本中污染、pH/离子强度变化、分析物通量波动和氧化还原干扰可扭曲信号，可穿戴中汗率、蒸发和形变进一步破坏传质与界面完整性。验证应从缓冲液/模型体系推进至加标基质、真实样本、在体或现场评价、参考方法比较和长期运行评估，该框架为描述性验证而非正式成熟度量表。转化还须考虑材料重现性、生物相容性、系统集成、可规模制造和临床/环境相关验证；TENG/PENG系统需在固定分析物浓度下用不同机械条件和受控机械输入校准，证明信号主要源于目标识别。介体、金属纳米材料、封装层、柔性基底和黏合剂需评估皮肤相容性、植入安全、浸出、灭菌和长期暴露；丝网印刷、喷墨打印、激光写入、印刷电路板和卷对卷工艺可降本提质，但须保持生物界面活性和电极一致性；一次性POCT和可穿戴器件还需可降解基底、软聚合物电子、降低电池依赖和减少电子废物。未来应区分本征自供能与外部偏置/能量辅助/纳米发电机供电/自充电混合平台，按靶标匹配识别界面，协同设计产能、识别、电子转移、样本处理、储存和读出，并同时报告分析指标与开路电压、短路电流、功率密度、内阻、充电时间、占空比、负载稳定性和读出功耗等自供能指标。

5 结论
电化学自供能生物传感器通过整合能量转换、分子识别和信号产生，为自主诊断提供路径；酶/微生物燃料电池、非生物催化、光生物电化学及纳米发电机辅助架构已实现代谢物、标志物、病原体、核酸和环境污染物等的无电池检测。性能不仅取决于能量采集，也取决于识别事件向电流、电压、功率、光电流或储存电荷输出的转化效率，故界面工程是核心；但界面复杂化并不必然改善性能。推进应用需一致报告分析与产能性能、评估长期稳定性、在真实基质和操作环境中验证、对可穿戴系统进行运动控制校准、整合功率管理、实现可重现可规模制造并与参考方法基准比较。未来研究应强调集成器件设计、耐用识别界面、受控流体处理、可靠校准、低功耗电子学和真实生物/环境样本验证；通过协同设计产能、识别、界面传输和读出，自供能生物传感器可从概念验证走向可靠的可穿戴、植入、POCT和分散监测，并最终发展为融合识别、采集、低功耗电子、无线通信、人工智能辅助分析和规模制造的自主微系统。