Chem. Rev.：电化学生物传感器全血分析—最新进展、挑战和未来展望

全血是最重要的生物液体之一，为健康管理和疾病监测提供重要信息。在过去的10年里，纳米生物技术、微流体和生物标志物研究的进步推动了全血检测的发展。其中，由于电化学生物传感器具有快速、敏感等特点，在诊断应用中发展迅速。基于电化学生物传感器的诸多优点，研究人员开发了多种分析手段，以实现小分子、核酸、蛋白质和细胞的灵敏检测。截至目前，已发展的检测策略，包括分层结构电极、纳米材料修饰、酶扩增和数据分析的数学算法等，可以在全血体系进行高灵敏、高选择性的直接分析。

近期，中国地质大学（武汉）夏帆教授（点击查看介绍）团队李辉教授（点击查看介绍）详细总结了过去十年电化学传感器全血分析的发展进程，相关文章发表于国际化学权威杂志Chemical Reviews。

电化学生物传感器已广泛应用于检测多种靶标，包括离子、小分子、核酸、蛋白质、细胞等。为了实现全血体系灵敏、可选择和可重复的分子检测，各种策略被开发应用于电化学生物传感器平台。

图1. 应用于全血分析的电化学生物传感器。图片来源：Chem. Rev.

本文总结了六种电化学生物传感策略（直接检测法、适体检测法、框架测定法、免疫测定法、MIP技术和酶测定法）用于小分子检测，包括神经递质、代谢物、药物、氨基酸等（图2）。在此，重点关注了基于识别元件的各种传感器架构（图2a−f）以及对应的输出信号（图2g）。

图2. 基于电化学生物传感的策略以实现小分子高灵敏、特异性检测。图片来源：Chem. Rev.

多巴胺（DA）是一种重要的神经递质，用于调控中枢神经系统的多种生理功能。DA具有氧化还原活性，因此它的检测主要依赖于其固有的电化学反应。例如，结合石墨烯-β-环糊精（GR-β-CD）纳米复合材料和二硫化锡（SnS₂）纳米棒或者使用四苯基卟啉锌修饰的还原氧化石墨烯（rGO/Zn-TPP）的复合物（图3b）构建的纳米材料传感器直接检测DA。为了促进临床样品中DA的原位检测，研究人员通过沉积ZnO花/聚苯胺纳米纤维/还原氧化石墨烯纳米复合材料构建了传感平台（图3c）。双工作电极设计实现了DA、尿酸和葡萄糖的多靶标分析（图3d）。

图3. 针对多巴胺分子的直接检测法。图片来源：Chem. Rev.

具有特定序列的核酸分析在临床诊断和疾病治疗中越来越重要，因为核酸可用于传染病、癌症等多种疾病的快速有效鉴定。迄今为止，可用于液体活检的核酸（图4），包括microRNA、ctDNA、cfDNA、DNA甲基化等。尽管核酸分析具有巨大的价值，但其超低浓度和低丰度，使临床样品中的核酸分析仍极具挑战性。这意味着需要开发高灵敏、高特异性的分析技术，克服相似分子的干扰，实现特定序列的检测。在这种背景下，电化学基因传感器成为近年来新兴核酸分析技术之一。

图4. 电化学生物传感器用于核酸分析的多种检测策略。图片来源：Chem. Rev.

微小RNA指内源性、非蛋白编码的短（17-25个核苷酸）单链RNA，参与广泛的生理过程，通过成像分析准确、快速地检测血液中超低水平miRNA对于早期临床诊断非常重要。使用带中性电荷的肽核酸（PNA）和球形核酸（SNA）纳米探针作为识别元件，构建了一种用于分析微小RNA的三明治电化学外泌体微小RNA传感器（SEEmiR）（图5a），该构建体有助于miRNA模板化的“三明治型”检测。本文还针对电场诱导下DNA修饰的镀金磁性纳米颗粒（DNA−Au@MNPs）的重新配置进行了探索，以实现传感器直接分析复杂基质（如全血）中的核酸（图5b）。

图5. SEEmiR传感器检测miRNA的示意图。（b）DNA−Au@MNPs检测复杂基质中miRNA的传感策略。图片来源：Chem. Rev.

作为临床中最常用的一类生物标志物，蛋白质标志物在疾病的早期诊断、疾病进程以及预后评估中发挥着重要作用。本文从以下两个方面总结了用于蛋白质检测的电化学生物传感器：（1）常见蛋白质生物标志物分析策略（适体测定、竞争模型、MIP技术、免疫测定和三明治型适体测定）（图6）；（2）与肿瘤、心脏、肝脏、炎症等疾病密切相关的特异性蛋白质生物标志物（淀粉样蛋白、乙型肝炎病毒、碱性磷酸酶等）。

图6. 用于蛋白质分析的电化学生物传感器检测策略。图片来源：Chem. Rev.

人血清白蛋白（HSA）是血液中含量最高的蛋白，在渗透压止血过程中起着重要的作用。一种无标记微流体可再生的电化学免疫传感器被开发用于全自动精确测量HSA（图7）。该传感器平台依赖于自由扩散的氧化还原对作为信号分子，支持长达7天的HSA水平的连续测量，测量结果与酶联免疫吸附分析完美契合。

图7. 微电极无标签EC生物传感器系统的检测原理。图片来源：Chem. Rev.

小结

电化学生物传感器已成为个性化医疗的一项新兴技术，因为它们可以直接用于临床样品的分析，包括尿液、血清甚至全血。在理想情况下，电化学生物传感器可实现复杂基质中微量分析物的快速、精确、高稳定、免校准的连续监测，同时无需样品预处理、分析程序简单。应用对象不同，电化学生物传感器的检测模式也各不相同，从体外、离体、体内、在线、体外到原位，从一次性到连续、实时监测等。在一些特定的应用中，如可穿戴设备，植入式传感平台，生物相容性，无毒性和抗污抗腐蚀等，均是当下以及未来迫切需要解决的问题。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Electrochemical Biosensors for Whole Blood Analysis: Recent Progress, Challenges, and Future Perspectives

Shaoguang Li, Hongyuan Zhang, Man Zhu, Zhujun Kuang, Xun Li, Fan Xu, Siyuan Miao, Zishuo Zhang, Xiaoding Lou, Hui Li, and Fan Xia

Chem. Rev., 2023, 123, 7953−8039, DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00759

夏帆教授简介

夏帆，中国地质大学（武汉）材料与化学学院教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国务院特殊津贴专家，中组部高层次人才引进计划（青年项目），科技部青年973首席科学家。主要从事维纳界面调控及其在生物传感器方向的基础研究。取得了多项创新成果。迄今为止，发表 SCI 论文 153 篇（影响因子大于 10 的 50 篇），包括 Nat. Commun.，Nat. Protoc.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.等国际权威杂志。SCI 他引 8000 余次，H 因 子 50。其中，他引次数超过 100 的论文 15 篇。这些研究工作得到了国内外同行的广泛关注。获得国家自然科学基金委重大研究计划项目、国家杰出青年科学基金、科技部重点研发计划、科技部国际合作项目、湖北省创新群体以及浙江省重点项目的支持。联系Email: xiafan@cug.edu.cn.

https://www.x-mol.com/university/faculty/50061 

李辉教授简介

李辉，中国地质大学（武汉）材料与化学学院教授、博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，获湖北省青年人才计划支持，欧盟“玛丽•居里”学者（2009年-2013年）。博士后期间获瑞士国家自然科学基金“青年博士后”项目资助。担任Journal of Analysis and Testing 青年编委，Molecules 客座编辑等。长期致力于开发强鲁棒性功能核酸型电化学生物传感器，针对其在临床样本分析检测所面临的测试体系环境复杂、探针分子种类匮乏以及器件批间差异性大等挑战，发展复杂体系电化学分析新方法。迄今，在J. Am. Chem. Soc., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Chem. Sci., Anal. Chem.上共发表 SCI 论文40余篇，授权美国专利2项，中国专利2项。联系Email: li_hui@cug.edu.cn.

https://www.x-mol.com/university/faculty/58181