《Microchemical Journal》：Tailoring nanomaterial-based electrochemical systems for alkaline phosphatase biosensing: current achievements and future horizons
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•综述了碱性磷酸酶电化学生物传感的最新进展。•ALP在肝脏功能和骨骼发育中起着至关重要的作用。•ALP水平异常会导致肝脏、肾脏、骨骼等疾病。•重点介绍了电极结构、传感机制和电化学转导策略•未来平台将与便携式电位计、智能手机和人工智能集成。引言碱性磷酸酶是一种同二聚体金属蛋白，
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综述了碱性磷酸酶电化学生物传感的最新进展。
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ALP在肝脏功能和骨骼发育中起着至关重要的作用。
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ALP水平异常会导致肝脏、肾脏、骨骼等疾病。
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重点介绍了电极结构、传感机制和电化学转导策略
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未来平台将与便携式电位计、智能手机和人工智能集成。
引言
碱性磷酸酶是一种同二聚体金属蛋白，含有三种金属离子：一个镁离子（刺激性作用，不直接参与催化）和两个锌离子（催化作用），分子量在70,000到180,000 Da之间 [1]。ALP的活性位点含有丝氨酸残基，周围的氨基酸具有与丝氨酸相似的特性，使其具有优良的催化作用 [2]。ALP是一组同工酶，位于细胞膜的外层，催化细胞外空间中有机磷酸酯的水解 [3] [4]。
ALP是一种重要的酶，催化多种磷酸单酯的水解和转磷酸化，包括各种蛋白质、生物碱和核酸 [3]。在人体中，ALP几乎遍及全身，存在于血液、唾液、细胞和组织中，例如：骨骼、肾脏、肝脏、胎盘、肠道、膀胱、肾上腺皮质、乳腺、钙化软骨、曲细精管、中型动脉、毛细血管内皮以及某些器官的胚胎软骨膜中，含量显著 [5]。ALP是疾病过程中浓度增加/降低的酶，而不是疾病的原因。它作为诊断标志物。成人血清中ALP的平均浓度范围为40到190 U/L [6]、[7]。ALP浓度大于300 U/L可作为各种疾病的指示器。与正常的ALP浓度相比，儿童和孕妇的允许ALP浓度 >500 U/L [6]、[8]。ALP在肝脏功能和骨骼发育中起着至关重要的作用 [1]。ALP作用的精确机制尚未完全了解，但似乎它作为矿化促进剂发挥作用，增加骨骼生长，有助于增加无机磷酸盐Pi的局部浓度，并导致细胞外焦磷酸盐浓度降低（一种矿化抑制剂）。ALP存在于细胞质膜和基质中囊泡的膜上。ALP通过膜微结构域（也称为脂筏）中存在的糖基磷脂酰肌醇锚定连接到膜上 [9]。人类含有四种ALP基因，产生不同的同工酶：肠ALP、组织非特异性ALP、生殖细胞ALP和胎盘ALP。TNAP主要与骨骼、肝脏和肾脏相关。IAP主要在肠上皮中表达，并与肠炎症/胃肠道状况相关，而PLAP主要在怀孕期间由胎盘表达，在某些恶性肿瘤中也可表达，特别是生殖细胞肿瘤。GCAP，也称为NAGAO同工酶，与生殖细胞相关，并可在生殖细胞/胚胎恶性肿瘤中重新表达 [10]。ALP浓度异常可能导致严重疾病。ALP水平升高是以下疾病的原因：- 肝脏、肾脏、骨骼疾病，包括肝炎、肝硬化、胆道阻塞、佩吉特病、乳腺癌、前列腺癌以及多种肿瘤，如成骨性骨肿瘤、骨软化症、淋巴瘤、糖尿病等 [11]、[12]。心脏病发作、心力衰竭以及多种其他感染会导致ALP浓度升高 [13]。ALP浓度异常降低会导致多种血液疾病，如：威尔逊病、再生障碍性贫血和慢性髓性白血病。营养不良和新生儿坏死性小肠结肠炎 [1]、[14]。心肺旁路和内毒素血症在婴儿中很常见。内毒素血症和天然碱性磷酸酶活性之间存在反向关系 [14]。如今，骨折非常常见，发生在各个阶段。同时，主要问题是骨折愈合延迟，通常推荐药物促进愈合。ALP是骨折愈合的重要生物标志物，ALP量化在药物治疗患者的骨折恢复中是有用的 [15]。因此，ALP作为诊断各种生理和病理过程的重要生物标志物 [16]。ALP可以在血清、尿液、唾液、白细胞、关节液和脑脊液中进行测量，这表明有机体的生理和病理状况 [1]。ALP活性测定在牛奶工业中控制巴氏杀菌过程中非常必要。ALP将正磷酸单酯水解为醇，并通过产生的醇量来测量ALP的测定 [17]。
与以往强调一般生物传感原理、单个纳米材料和特定电化学技术相比，本综述重点介绍了材料-电极结构、传感机制、电化学转导策略（SWV、CV、EIS、DPV等）以及关键分析参数，涵盖了ALP生物传感的LOD、线性范围、稳定性、灵敏度、选择性和可重复性。当前综述讨论了基底电极平台，包括碳基、金、ITO、丝网印刷、纸基、硅纳米线电极、膜基和PCB电极，并明确区分了基底电极与所纳入纳米材料及其复合物的显著性。它还指定了纳米材料的协同贡献，增强了电子传递、酶固定化、催化作用和信号放大。
在ALP电化学生物传感中，基底电极作为主要的结构和电化学转导平台，而纳入的纳米材料主要发挥增强电子传递、表面积、酶固定化并最终信号放大的功能，从而突显了当前综述的新颖性。基底材料还提供了固有的优势，如稳定性、导电性、表面兼容性和适当的官能化位点，用于特定纳米材料，超越了一次性和便携性。这些特性可以增强纳米材料的集成，并总体上改善ALP传感性能。
因此，纳米粒子及其复合物在增强电化学生物传感器在ALP测定中的选择性和灵敏度方面起到了显著作用，提供了电活性、高表面积体积比和生物相容性界面，这对于酶固定化至关重要，并最终改善了选择性、灵敏度、分析稳定性和响应时间。因此，纳米粒子的集成是构建高性能ALP生物传感平台的生产策略。
章节摘要
生物传感基础
生物传感器是一种自成体系、集成的装置，通过生物受体提供定量和半定量的分析信息，生物受体直接与换能器相互作用 [18]。它是一种分析装置，活性生物元件与物理换能器相互作用，产生与样品中分析物浓度成正比的 measurable response。Fig. 1.
简言之，它是一种分析装置，将生物响应信号转换为
ALP活性的测量
用于碱性磷酸酶测定的手段包括色谱法 [36]、比色法 [37]、荧光法 [38]、表面增强拉曼散射 [39]、毛细管电泳 [40]、分光光度法 [41]、同位素标记 [42]、化学发光 [43] 和ELISA [8]、[17]、[44]。这些方法中大多数成本高昂、劳动密集、依赖实验室且耗时。电化学生物传感器相比
基于碳电极的ALP生物传感器
碳基电极如玻璃碳、石墨烯、石墨和碳纳米管广泛应用于ALP电化学生物传感，因为它们具有稳定性、灵敏度与实际性之间的出色平衡。它们可以轻松地用纳米材料如石墨烯、CNTs、各种金属纳米粒子和酶进行修饰。碳电极提供宽电压范围，无溶剂分解干扰。
通过新颖的电化学方法实现高度选择性和灵敏的ALP测定
结论和讨论
从上述ALP生物传感器来看，可以得出结论，电化学生物传感器在监测碱性磷酸酶方面远优于传统方法，如：分光光度法、比色法、表面增强拉曼散射、荧光法、同位素标记、化学发光。电化学方法是最合适的方法，因为它具有良好的便携性、低成本、易于使用、结构简单、高灵敏度以及出色的兼容性。诊断
挑战与未来展望
尽管广泛开发了ALP电化学生物传感器，但从实验室原型到商业临床装置的转化仍然具有挑战性。主要限制包括可重复性差、长期稳定性、批次间变异、生物污染、有限的基质干扰、临床验证不足以及严格的监管要求。许多报告的传感器基于缓冲液，评估少量真实样本，限制了其临床效用。因此，未来
CRediT作者贡献声明
Preeti Kumari：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，方法论，概念化。Tulsi Kumar：撰写 – 原稿，正式分析，数据整理。Rohit Sain：资源，获取资金，正式分析。Shatrughan Yadav：正式分析。Minakshi Sharma：可视化，验证，监督。
利益冲突声明
作者声明，他们不知道任何可能影响本文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者Preeti Kumari衷心感谢大学拨款委员会授予NFOBC-SRF [文件编号 82-44/2020(SA-III)] 新德里-110012，作者Rohit Sain感谢UGC JRF奖项 [NTA参考编号 221610184504]。
资金声明
作者Preeti Kumari [文件编号 82-44/2020(SA-III)]感谢大学拨款委员会(UGC)，新德里-110012在本研究期间授予高级研究奖学金，作者Rohit Sain [NTA参考编号 221610184504]感谢大学拨款委员会(UGC)，新德里-110012，印度在本研究期间对初级研究奖学金的支持。
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