综述：从低检测限到可靠的去中心化监测：基于适配体的生物传感器的智能材料视角

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：From low LOD to reliable decentralized monitoring: A smart material perspective on aptamer-based biosensors

　　

摘要：智能材料正成为将基于适配体的生物传感器从实验室原型转化为可靠的分散发射监测平台的核心要素。本综述探讨了智能材料辅助设计如何提高适配体基即时检测（POC）和可穿戴生物传感器的可靠性、稳健性和可追溯性。该综述不仅关注检测限的降低，更强调现场部署需求，如抗污染界面、信号漂移控制、器件与批次间变异性、基质效应、真实样本验证，以及与便携式或智能手机连接的读数系统的兼容性。综述讨论了适配体的选择与稳定化、固定化策略、低复杂度信号生成格式，以及面向分散发射监测的平台集成。同时，本文提出了一份最低报告清单和一套测量信任链框架，以改善可比性、可审计性和可追溯的现场使用。通过围绕稳健性、验证和报告对现有证据进行组织，本综述旨在支持适配体传感系统面向分散发射应用的更基于证据的开发。

引言

在血液、唾液和间质液中测定的生物标志物，在准确且及时检测的情况下，可为疾病风险评估、治疗监测和个性化健康管理提供早期预警信号 [1], [2]。在此背景下，基于适配体的生物传感器作为一种可编程的分子识别平台，在去中心化诊断与监测中获得了越来越多的关注 [2]。随着智能材料赋能的传感策略的出现，其重要性进一步增强——在这些策略中，界面设计、信号生成和器件集成被协同工程化，以支持便携式、即时检测（POC）和可穿戴应用。适配体是单链DNA或RNA寡核苷酸，长度通常为25-80个核苷酸，可折叠成靶标特异性三维构象，通常通过指数富集系统进化配体法（SELEX）生成 [3], [4], [5]。基于适配体的传感系统正越来越多地被改造为即时检测、便携式和可穿戴形式，包括侧向层析、光学和电化学平台 [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]。

这种日益增长的多样性凸显了适配体传感器的转化潜力，但同时也使现场可靠性、可比性和实际部署成为更重要的设计标准。在本综述中，"智能材料"一词不被用作纳米材料、被动涂层或通用界面工程的广泛同义词。相反，它指的是具有明确可靠性赋能功能的材料架构，用于分散式适配体传感器中。这些功能包括抑制生物污染、减少信号漂移、保持适配体取向与可及性、稳定局部微环境以应对基质波动、支持再生、改善校准转移、减少器件间变异性，或实现与便携式和可穿戴读数格式的兼容性。从操作定义而言，在本综述中，一种材料或表面化学仅在满足以下至少一项超越被动信号增强的可靠性导向功能时，才被认定为"智能"：（i）它响应或缓冲与基质相关的变化，如pH、离子强度、水合状态或蛋白质吸附；（ii）它主动抑制某种现场失效模式，如污染、漂移、连接层不稳定、再生不良或校准丧失；或（iii）它实现了可量化的可靠性输出，如比率校正、可控质量传输、信号保持或可重复的探针取向。因此，一种纳米材料、涂层或固定化层并不自动被归类为智能材料策略，除非其在提高现场稳健性方面的作用在实验上或机理上与分散式操作相关联。在这一框架下，界面工程被视为更广泛的表面设计过程，而智能材料则代表这一过程中的功能材料组成部分——当它们主动改善现场稳健性而非仅仅增加信号强度、电化学活性面积或固定化容量时。因此，本综述的独特贡献不仅在于总结智能材料辅助的适配体传感器，更在于将通常分开讨论的三个层面联系起来。首先，它将关注点从实验室分析性能转向从实验室到现场的各种失效模式，包括基质效应、生物污染、信号漂移、器件间和批次间变异性、校准不稳定、储存限制以及用户或环境依赖性变异。其次，它根据智能材料和界面架构缓解这些失效模式的能力对其进行评估，而非仅仅提高检测限或信号放大。第三，它提出了一份最低报告清单和一套测量信任链框架，以评估分散式适配体传感器数据能否在不同器件、用户、批次、校准状态和数字读数路径之间进行比较、审计和追溯。这种将材料级可靠性、现场验证和数据级可追溯性相结合的综合方法，是本综述区别于以往适配体、纳米材料、POC或可穿戴生物传感器综述的主要特征 [6], [22], [23], [24], [25]。为使与以往综述的比较更加透明，表1是根据预定义的分类标准构建的。"是"表示该主题是该综述的核心焦点，并设有专门章节或等效系统框架进行讨论；"部分"表示该主题被提及但未作为核心组织主题使用，或仅在选定平台或示例中进行讨论；"有限"表示该主题被简要提及、间接提及或仅在应用示例中提及而无系统分析；"否"表示该主题未被实质性讨论。比较基于各综述的声明范围、章节结构和主要分析重点，而非基于个别关键词的出现。

表1根据上述预定义标准总结了2019年至2026年间发表的部分代表性综述。比较显示，以往的综述对适配体发现、化学修饰、电化学适配体传感器、POC诊断和可穿戴传感做出了重要贡献。然而，在大多数这些综述中，材料选择主要作为信号生成、固定化、表面修饰或器件构建的一部分来讨论，而非作为直接控制现场失效模式的可靠性决定层。相比之下，本综述将智能材料功能定位为分散式测量可靠性的主动决定因素。具体而言，它将材料功能与生物污染抑制、漂移控制、基质耐受性、适配体取向、再生能力、校准稳定性、器件/批次变异性以及可追溯报告联系起来。这种以可靠性为中心的组织方式使本综述区别于以平台或应用为中心的综述，并与分散式监测的材料聚焦范围相一致。

章节片段

分散发射（POC）和可穿戴生物传感器的日益增长需求

如表2所示，POC检测和可穿戴适配体传感器正迅速扩展，因为它们将诊断和监测从集中实验室转移到即时检测点和日常生活。它们已被实施于各种形式中，包括可穿戴、电化学和基于纸张的诊断平台。如图1A-C所示，适配体已成功集成到侧向层析试验（LFA）中，用于检测临床和生物学相关的靶标，如

从用例到技术要求

本节提出了一个将用例要求转化为可测量技术规范的框架，借鉴了讨论基于适配体的POC和可穿戴系统器件格式与集成策略的最新综述 [6]。

耐现场条件的选择标准：基质选择性与抗干扰能力

最终决定转化效益的是适配体是否能在唾液、汗液和血液等复杂生物基质中同时保持其选择性和功能性靶标结合。从实验室到现场应用的转化过程中观察到的相当一部分失败可归因于基质效应，包括离子强度和pH差异、高蛋白含量、非特异性结合、生物污染以及更广泛的环境

界面工程：通过固定化构建可靠性

在POC和可穿戴适配体传感器中，分析性能通常不仅取决于适配体序列本身，还取决于液-固界面控制的完善程度。在真实基质中，信号损失和漂移通常源于离子屏蔽、非特异性吸附（生物污染）、探针取向和表面密度控制不足，以及随时间变化的界面重排。这包括适配体构象漂移、连接层或

适配体传感器中的信号生成格式：现场兼容设计

在POC和可穿戴适配体传感器中，信号生成格式也决定了整个系统在现场条件下的性能表现。操作步骤数量、对添加试剂的依赖性、基质耐受性、偏差与长期稳定性、再生能力，以及与器件或智能手机集成的兼容性，都深受所选信号架构的影响。因此，简化工作流程复杂度、支持内部校准、维持

对分散发射平台的适应性：POC和可穿戴格式

在POC和可穿戴格式中，主要挑战是确保分析优化后的性能能够在不同用户和不同环境条件下跨标准化的"样本到结果"工作流程中可重复实现。因此，平台适应性必须被视为一个多组件工程问题，其中传感器化学、弹匣或条带架构、采样与前分析控制、器件-手机-云端数据路径、电源管理以及适合现场的验证

验证、标准化与可追溯性：现场部署标准

现场条件下的可靠性需要一种适应特定用途的验证方法，将准确性、精密度、选择性、工作范围、稳健性、基质效应、重复性和稳定性/漂移共同评估 [102], [103], [104], [105], [106]。该方法的目标不仅仅是证明方法有效，而是证明其适合预期使用场景，并在不同时间、操作者和器件条件下保持稳定 [106]。在

转化障碍与未来方向

尽管适配体传感器在靶标特异性和设计灵活性方面提供了稳健的平台，但仍有几个反复出现的障碍限制其部署到现场和临床使用。因此，未来的进展也将依赖于适配体传感器平台智能材料系统的理性设计。特别有前景的方面包括水凝胶支持的界面、多孔或纳米结构导电支架、自适应表面化学，以及皮肤兼容或无反应性材料，能够

结论

基于适配体的POC和可穿戴生物传感器作为快速、便携和用户友好的分散发射监测平台展现了巨大前景。然而，该领域的进展不应仅以低检测限或高选择性来评判。成功的现场和临床转化还要求在复杂生物基质中的可靠运行、漂移控制、可重复的校准、器件间和批次间一致性、储存稳定性，以及明确定义的质控程序。尽管

CRediT作者贡献声明

Hasret Turkmen：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，方法学，调查，形式化分析，概念化。Bora Bugra Sezer：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学，调查，数据整理。Mustafa ?en：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，指导。Erhan Zor：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，指导。

未引用参考文献

[97], [98]

数据可用性

本综述文章未生成或分析新数据。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知可能影响本文所报告工作的相互竞争的经济利益或个人关系。

Hasret Turkmen | Bora Bugra Sezer | Mustafa ?en | Erhan Zor

伊兹密尔卡迪普切莱比大学，纳米科学与纳米技术系，土耳其伊兹密尔