电化学生物传感器用来医学检测前景如何？

乔帮主

最近在纠结要不要选这个研究方向
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队长是我

摘要：
疾病标志物是一种可以客观反映正常生理状况、病情发展情况的一类指示物，在临床医学诊断中起着关键作用。电化学生物传感器以独特的分析检测方法以及在临床医学中的潜在应用，近年来广受研究者关注。阐述了基于石墨烯、贵金属纳米粒子、碳纳米管、量子点材料和纳米氧化物材料纳米材料所构建的电化学生物传感器对疾病标志物的检测，最后展望了电化学生物传感器检测疾病标志物的研究方向以及未来的发展趋势。
疾病标志物作为一种重要的辅助手段，与其他检测手段相结合，在临床医学中有助于更早期、灵敏、准确的判断和预防疾病的发生。然而，对疾病标志物能否有效、快速的进行定量定性分析，在临床医学诊断中起着关键作用。与其他生物传感器技术相比，电化学生物传感器体外检测的分析方法得到了广泛关注。常用的电化学生物传感器的方法有电流法、电位法、电容法和伏安法等。
电化学技术比其他传感技术拥有更高的灵敏度、更大的线性检测范围、更好的稳定性。但是，电化学生物传感器在灵敏度方面还未达到临床应用的标准，例如在检测肿瘤标志物方面，检测中会出现假阴性，对诊断带来困难，所以研发构建拥有高灵敏、长寿命、稳定性高和在复杂的样本中对多个疾病标志物同时进行检测的电化学生物传感器是研究人员一直关注的热点。
随着纳米技术的发展，纳米材料与电化学生物传感器的结合，使其拥有了更大的灵敏度，常见的纳米材料有硅纳米粒子、碳纳米管、金纳米粒子、量子点等，因为纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特性，使其拥有检测速度快、精准度高等特点，还可以实现多功能化检测和选择性检测。综述了基于几类纳米材料的电化学生物传感器在检测疾病标志物中的一些具体的应用，并预测了电化学生物传感器的发展趋势。
1 石墨烯材料
1.1 石墨烯材料的特性
石墨烯拥有较高的比表面积，使被检测的标志物更容易通过共价键和非共价键的方式进行特异性识别，石墨烯的机械强度也较大，易于修饰，拥有优良的柔韧性和抗渗性，并且也拥有优异的导电性和生物相容性，基于以上特征，石墨烯电化学生物传感器在使用中拥有灵敏度高、特异性强、电子传递速率高、反应速度快等特点，倍受研究者的关注，广泛的应用于电化学生物传感器领域。
1.2 石墨烯电化学生物传感器的应用
人类免疫球蛋白与过敏反应和其他相关疾病关系密切，因此，免疫球蛋白的检测在疾病的治疗诊断过程中起着非常重要的作用。SONG等利用银纳米材料与石墨烯结合构成复合材料去修饰电极，构建三明治夹心型生物传感器，蛋白质与银相互作用产生链霉亲和素，来特异性的识别标记的抗体，在完成免疫反应的同时通过方波伏安法测定免疫球蛋白的含量。实验结果表明，该法拥有较高的线性范围和低的检出限，同样适用于其他蛋白质的检测。
KONG等构建了一种无标记性的电化学免疫传感器。测试表明，该传感器对癌胚抗原（CEA）和甲胎蛋白（AFP）的线性范围为0.5～80 ng/m L与0.6～50 ng/m L，检出限为0.05 ng/m L与0.1 ng/m L。Kuklenyik等构建了一种高灵敏检测Aβ1-42聚寡体的免疫传感器，在加入Aβ1-42寡聚体时，因为抗体和适配器都可以与Aβ1-42寡聚体相结合，从而形成了一种“三明治”型的结构，通过这种结构引起Th电流峰的改变，在良好的实验条件下，检测不同浓度的Aβ1-42寡聚体。Samanman等利用金纳米颗粒、壳聚糖复合物和石墨烯合成修饰电极，然后作为氧化还原介质对癌胚抗原进行高灵敏的检测。由于石墨烯很容易被吸附到核聚糖上，所以电极的导电性得到了增强，被壳聚糖复合物包裹的电极灵敏度比未加任何修饰的电极导电性提高1.7倍，检测限大约降低25倍。在理想条件下，线性检测范围为1.0×10-6～1.0 ng/m L，检测的最低限为2.0×10-7ng/m L。
还原型石墨烯是一种理想的电荷导体，其特点是在边缘和机面的空缺位置会出现不规则的电子转移，并且拥有大量的空缺位和电活性位点。离子液体在作为电解液和电极的黏结剂时，可以增大还原型石墨烯在薄片中的分散性，同时也促进了生物相容性和电化学的稳定性。MA等提出了利用离子液体修饰的还原型石墨烯上固定Au NPs和普鲁士蓝，然后再与二抗结合构成夹心免疫结构，最后再对甲胎蛋白抗体进行特异性检测。基于该电化学免疫传感器具有生物相容性好、催化性强和导电率高等特点，从而使离子液体修饰的还原型石墨烯不仅具有石墨烯良好的导电性，而且基于离子液体的特点，拥有良好的亲水性，可以固定更多的抗体与还原型石墨烯，有效的放大了电化学信号，提高了灵敏度。
2 贵金属纳米材料
2.1 贵金属纳米材料的特性
贵金属纳米材料在电化学生物传感器的构建中多以基底的方式出现，一种方式是在一定的条件下，利用氧化还原反应将氧化物还原成金属单质，另一种常见的方式是将含有金属颗粒的纳米复合材料修饰在电极上，从而促进了电子的移动、可以固定大量的抗体，使电化学信号更强。例如，金与巯基间能通过Au-S键产生共价键合作用，Au NPs与不同生物识别元素结合从而增大电化学信号。
2.2 贵金属纳米电化学生物传感器的应用
SUN等利用三维花状的Au NPS修饰电极，将Au-Ag双金属纳米材料与其形成稳定的共轭物，使其当做检测探针对癌胚抗原(CEA)进行定量检测。Au-Ag双金属纳米复合材料比单一金属纳米材料拥有更好的催化活性，具有很好的生物相容性和稳定性，可以代替天然氧化物酶当做二抗的标志物，结果表明，该传感器对CEA的检测限最低下降到0.3 ng/m L。SONG等构建了可以对AFP和CEA同时进行检测的电化学免疫传感器，在玻碳电极表面涂一层壳聚糖类的聚合物，由于金纳米材料与巯基和氨基的作用，金纳米材料会被牢牢固定在电极表面上，并且用空心的铂纳米材料来固定二级抗体，从而构建三明治夹心结构，可以实现同时对AFP和CEA的定量分析。实验检测得出，该电化学免疫传感器的线性工作区间为1.5～20 ng/m L，检出限为0.5 ng/m L和0.6 ng/m L。LAI等构建了一种金纳米材料修饰电极电化学免疫传感器，同时对CEA和AFP进行检测。将壳聚糖的复合物与普鲁士蓝涂抹在丝网印刷电极的表面上，金纳米颗粒与氨基之间的作用力会把金纳米修饰在电极表面，探针是由葡萄糖氧化酶隔离的碳纳米管组成的，然后构建三明治夹心结构，基于表面积大，导电性强，通道多等特点，可以实现AFP和CEA的同时检测，金纳米材料修饰电极，极大的提高了电极与探针之间的导电能力，也有利于抗体的大量固定，优化了实验进程。
为了解决电化学免疫传感器在催化剂选择方面的问题，近年来，空心贵金属纳米材料一直是研究者们关注的热点。由于其具有比表面积大、密度较低、渗透性强、相对较稳定等特点，且催化活性点位比较多，极大的提高了催化速率，在电化学免疫传感器催化剂方面发挥着巨大的作用。WANG等用空心的Pt纳米材料与金属离子相结合形成复合纳米材料，作为检验电化学信号的探针，氨基酸修饰Pt与Cu2+、Cd2+相互作用以形成Pt-Cu2+和Pt-Cd2+的复合物，使AFP和CEA分别与两个复合物结合，用于捕获特异性抗原。利用离子液体还原氧化的石墨烯来修饰玻碳电极，用来固定大量抗体。该电化学免疫检测器可以同时检测AFP抗原和CEA抗原，结果表明，该传感器的检测限为0.05 ng/m L和0.002 ng/m L，检测结果与传统酶联免疫法相符。
3 碳纳米管材料
3.1 碳纳米管材料的特性
碳纳米管是一种由碳六元环构成的类似石墨卷曲而形成的无缝空心管，碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管拥有良好的导电性、长径比、有良好的生物相容性、良好的催化活性和较大的比表面积。基于这些特征，其倍受化学、物理材料等有关领域科学家的关注。
3.2 碳纳米管电化学生物传感器
自从Breaker等首次提出DNA酶，因其拥有良好的生物相容性、成本低、化学性质稳定、容易修饰等特点，被广泛的应用于电化学生物传感器中。ZHOU等以花瓣状Cds-C复合物当做电化学发光材料，运用血红素与富含鸟嘌呤的DNA序列进行反应，制成相应的DNA酶，该DNA酶与Cds-C复合物作用可以使其性能失活，利用DNA酶修饰的金纳米材料作为探针，极大的提高了灵敏度和生物相容性。因此，基于这个原理构建了一种电化学发光竞争性电化学生物传感器，用于CEA的特异性、高灵敏检测。结果表明，该方法对CEA的灵敏检测，线性范围为1.0×10-13～5.0×10-10g/m L，检出限为3.6×10-14g/m L，拥有选择性好、灵敏度高等优点，为疾病标志物的检测做出了巨大贡献。
碳纳米管在电化学免疫传感器中应用也非常广泛。Anastasia等利用合成巯基单壁碳纳米管，将其修饰在金电极表面上，使碳纳米管有序排列，在碳纳米管的外壁沉淀纳米金颗粒。被标记的胃酶抑制素通过Au-S键被固定在金纳米颗粒上。此方法与单一的金属纳金修饰的电极相比检测灵敏度提高了许多，实验结果表明，该方法的检测下限可以达到0.8 ng/m L。AKTER等以MWCNTs/Au NPs组成复合材料，构建了电化学生物传感器。在理想实验条件下表明，该方法对PSA的线性检测范围为1.0～10.0 ng/m L，检测限为0.4 ng/m L，该电化学免疫传感器拥有较高的选择性和灵敏度，广泛应用于疾病标志物的检测当中。YU等设计了一种基于功能化单壁碳纳米管的电化学免疫传感器，检测肺癌的标志物特异性烯醇化酶。功能化单壁管具有增大电极表面信号传递和比表面积的特征，使抗原、抗体的识别反应更灵敏，数量更多。碱性磷酸酶去催化底物然后发生还原反应，起到放大电信号的作用。由于金纳米探针与碳纳米管的放大双电化学信号的作用，该传感器拥有良好的精密度和灵敏度，可直接检测血清中的靶蛋白。检测表明，方法最低检出限为0.032 ng/m L，线性范围为0.1～2μg/m L。
碳纳米管还能有效的促进电极与细胞电活性之间的电子的转移。鸟嘌呤在白血病K562细胞的细胞质中的浓度达0.92 mmol/L，先用碳纳米管去修饰玻碳电极，然后将K562细胞培养在修饰的电极上，通过检测发现，在0.833 V出现了一个氧化峰，其波形与鸟嘌呤的峰相似，没有被碳纳米管修饰的玻碳极是无法被检测到的。利用这种方法分析了抗癌药如长春新碱、丝裂霉素、5-氟尿嘧啶等对细胞的毒性作用，其结果与比色法的结果相符。
4 量子点材料
4.1 量子点材料的特性
量子点一种特殊的半导体纳米材料或是纳米晶体，具有独特的光、电、磁和电化学性能，拥有高的表面活性、尺寸小和高的比表面积等特性，可以随外界细微的变化迅速产生反应，例如表面粒子价态的变化，电子转移情况等。基于量子材料的电化学生物传感器拥有反应灵敏、选择性突出、速度快等特点，越来越受到研究者的关注。
4.2 量子点电化学生物传感器的应用
量子点可以作为标记探针连接到被检测的标志物上，利用电极链接量子点的多少，再根据一定的线性关系来确定物质的浓度。ZHANG等构建了一种用来检测人血小板衍生生长因子(PDGF-BB)的基于Cd S量子点的电化学发光适配体传感器。将多壁碳纳米管与壳聚糖结合形成复合物，将其修饰在电极上，用适配体当做识别探针，当标志物PDGF-BB出现时，标志物会与适配体进行特异性结合，从而形成了三明治夹心型的传感器。当发生反应时，多壁碳纳米管会起到加快电化学发光触感器电子转移速率的作用，然而CDS QDs-PAMAM复合物能够产生稳定高效的电化学发光信号，通过二者的作用，极大地提高了传感器的灵敏度。该方法对PDGF-BB检测的线性范围为5.0×10-13～1.0×10-9mol/L，检出限约为1.3×10-13mol/L，该法在检测人血清样品的PDGF-BB中取得了巨大的成就。
量子点可以直接连接在具有光电活性材料的电极上，在反应发生时，激发状态下的量子点会与电极之间进行电子转移，从而产生光电效应，光电流值的变化可以检测出标志物相对应的浓度。WANG等将硫化镉量子点修饰的石墨烯材料依附在氟掺杂锡氧化物导电玻璃上，实现了在可见光的激发下对四胺基酚的检测。量子化石墨烯复合材料可以提高电极的光电转换率，增加了灵敏度和可见光领域的吸收，提高了传感器的效率。实验研究表明，该传感器的检测范围为5.0×10-8～3.5×10-6mol/L，检测限最低为2.3×10-8mol/L。
量子点在电化学免疫传感器上也有很多的应用。HE等研发了一种用于检测CEA抗原的高灵敏电化学免疫传感器。实验结果表明，该方法对CEA抗原检测的线性范围为0.032～10 ng/m L，最低检测限为32 pg/m L。该传感器在用于检测尿液中CEA含量的效果更显著。SONG等构建了基于CDTe量子点的电化学免疫传感器，用于对lg G的检测。利用方波伏安法，将镉离子浓度的变化作为输出信号，实验结果表明，该法对Ig G的线性检测范围为0.005～100 ng/m L，最低检测限为1.5 pg/m L。
5 纳米氧化物材料
5.1 纳米氧化物材料的特性
纳米氧化物具有良好的生物相容性和亲水性的特点，在电化学生物传感器领域主要用在生物分子的固定上，可以使电极表面与生物蛋白质分子内部的活性物质直接进行电子转移，极大的提高了反应速度和灵敏度。另外，纳米氧化物也拥有一些特殊的效应。例如Fe3O4具有一定的磁效应，Ti O2具有一定的光效应。磁性的纳米粒子除了拥有普通纳米粒子的特征外，还有高矫顽力、高磁化率、超顺磁性和低居里温度等特殊的性质。
5.2 纳米氧化物电化学生物传感器的应用
磁性的氧化物纳米粒子在受外界磁场的作用下，可以进行定向移动，基于生物相容性的特点，可以稳定的固定在肿瘤发生的部位，并且拥有很强的靶向性。YANG等构建了一种HPt NPs-Fe3O4与葡萄糖氧化酶相结合的双信号放大技术的电化学免疫传感器，用以AFP的检测，在实验过程中，加入牛血清蛋白来提高氧化物纳米颗粒的稳定性、水溶性和生物相容性。实验结果表明，该方法对AFP的检测范围是0.01～60 ng/m L，检测限为1.5 ng/m L。
Zn O纳米氧化物具有生物相容性好、稳定性高、无毒、载流子迁移率高等特点，在固定生物分子方面是一个良好的选择。XU等以反蛋白石结构的Zn O氧化物纳米颗粒当做电极，将葡萄糖氧化酶和甲胎蛋白这两种物质与硫化镉量子点结合形成AFP-Cd S-GOD复合物，通过甲胎蛋白抗体与AFP-CDS-Go D复合物之间的特异性免疫竞争机理，制备了光电化学生物传感器。硫化镉量子点通过免疫结合依附在了电极表面上，硫化镉与Zn O氧化物纳米颗粒通过有效能级匹配的作用，扩大了光谱的吸收范围，促进了电子的有效转移和避免了电子与缺位的结合，增大了光电流，有效的提高了光催化效率。葡萄糖透过酶催化的作用产生了过氧化氢，过氧化氢通过分解产生电子，所产生的电子填补到硫化镉量子点价带中的空缺，提高了灵敏度。该方法对甲胎蛋白的线性检测范围为0.1～500 ng/m L，最低检测限为0.01 ng/m L。该方法提高了传感器的性能，拥有良好的稳定性和抗干扰性。
Ti O2氧化物纳米材料也广泛的应用于电化学生物传感器中，拥有很好的抗腐蚀能力，良好的生物相容性，氧化能力强，极大地提高了传感器的灵敏感应能力。ZHANG等通过Ti O2与Cu结合成为Cu-Ti O2复合物，使其与抗原-抗体结合作为检测标记物，构建三明治夹心型的电化学免疫传感器对人类免疫球蛋白G进行定量检测。Cu-Ti O2可以对H2O2进行催化，过氧化氢分解后会产生电子，对电流信号起到放大的作用。实验结果表明，该方法对人类免疫球蛋白G的线性检测范围为0.1～100 ng/m L，最低检测限为0.052 ng/m L。该传感器可以快速简便的定量检测人类血清中免疫球蛋白G的含量。
6 结论与展望
虽然电化学生物传感器的应用在多方面都取得了良好的进展，但绝大多数都是处于实验基础阶段，离应用到临床检测当中还有一定的距离，在检测复杂生物标志物的过程中，其灵敏度、稳定性还达不到预想的结果，因为在微型化、纳米型的高通量生物传感方面还欠缺系统的研究，还不能适应各种复杂的生物环境。鉴于此，基于纳米材料的电化学生物传感器将是未来发展的趋势。如有侵权，请联系删除。

卡卡

西班牙Micrux 专注于薄膜电化学传感器，微流控电化学传感器及便携式电泳仪等研究开发，用于医疗，生物，化学，食品的检测领域，可以参考下相关的发表文章
Publications | MicruX英国的Zimmer &Peacock 提供电化学传感器的开发制造及定制化服务，有标准的丝网印刷电极，生物传感器等，可开发便携式及穿戴式传感器，提供硬件，软件及ISO13485认证服务。可用于医疗的床旁检测，可穿戴设备的开发，生物、食品，土壤和水等物质的检测等。
Zinsser &Peacock 开发的标准电化学传感器器有PH，葡萄糖，乳酸盐，氧，以及硝酸盐传感器，钾，辣椒传感器，大蒜传感器等，具体类型见下面链接
Biosensors - zimmerandpeacock (zimmerpeacocktech.com)

卡卡

对其他医学检验方面不熟，只就体外诊断医疗器械来说，目前光学+免疫更被看好，尤其是化学发光和电致化学发光+免疫方面，但是电化学传感器并不能说没有前途。

感恩由您

我研究生是免疫学专业的，导师做的是单抗和免疫检测方面工作，比较靠近产业，而为了发表论文，也做一些检测的新方法，其实看到别人的一些新方法新想法挺有趣的，因此我也入了坑，开发一些检测的新方法，也算是生物传感器的一个分支吧。
        生物传感器较为传统的是用光学作为信号，例如胶体金试纸的红线；ELISA的吸光度；化学发光的冷发光；免疫荧光的发射光；电化学发光等等，这些都已经有稳定的产品了。近几年随着材料学的快速发展，纳米材料的许多特性也用于传感信号，等离子体；LSPR；拉曼光谱等等，我也开发了以这些特性为信号的新方法，灵敏度会很高，但是极其不稳定，所以仅限于发论文阶段，基本做不到产业化。当然我也做了一些检测传感设备，都是基于光学信号的，因为简单稳定。
        我也做过电化学，因为我舍友是做电化学电池的，我就拿着我的生物原料想跟他合作开发电化学生物传感器，首先接触的是循环伏安法跟着一些论文重复，可以说，年中发的不少电化学检测的论文，基本有一半重复不出来，只有现象没有线性，做了一段时间后也没有做了，我总结一下，主要有两点我做不下去的，一是干扰严重，可能是我们的电化学工作站比较旧款，经常有不明信号；二是灵敏度虽然高，但极其不稳定，线性甚至差一到两个数量级。
        所以我们可以看到，电化学生物传感器发展了这么多年，能产业化的产品少之又少，目前最成功的也只是血糖仪，因为它生物到电信号转化的步骤少，干扰少，如果用免疫反应或者适配体反应，多加一步干扰因素就多很多，导致这种方法的不稳定。
        当然，如果是发论文，电化学生物传感器很容易发，现在也是大热，如果是想产业化，就要把电化学做稳定，另外一个就是芯片化，我当初设想过，传感器做成芯片外加小设备，通过USB插入手机，电信号转化为计算机语言得出结果，很适合POCT使用，后来发现已经有人做了，如果可以稳定，这个也是电化学的另一个发展趋势。

清风寡欲

说来实在惭愧，我本是学生物工程本科毕业的，后误打误撞进了电化学生物传感器方向，电化学方向知识基本学渣，好在我校该方向更偏向于其生物传感器的“生物”方向，让我这生物背景的硕士学渣勉强毕业。
回答题主的话。
鄙人觉得电化学生物传感器还是很有潜力的，当然仍然道阻且长。
就生物医学检测方面，依然还是传统的生物检测更加普遍和实用，电化学生物传感器因其检测背景干扰较多，传感体系构建较为麻烦，同时精确度和重现性并不是十分理想。该方向在学术发表方面看似文章很多，但是多数却强调的是方法论，即如何构建体系，怎样放大检测信号提高灵敏度等角度。在实际运用中，可不需要这么高大上的检测策略或是什么所谓的多重放大手段。医学检测更需要的是高效准确的检测结果，而过程则是越经典越实用。（不是说新颖检测策略不好，只是经典的检测方法是经过时间考验的，投入新的方法论还是需要一些时间去实践的）
当然，说到医学检测，不能不提现如今更便民更贴近民生的家用医学检测。血糖仪便是现今商品话程度很高的电化学生物传感器的应用之一，这类家用便携式电化学医学检测仪器，因对精度要求不高，只需起到对指标的大致检测，了解身体指标的总体情况，可用作对身体指标的参考即可。除了血糖仪，还有胆固醇，甘油三酯，尿酸等等生物指标均可通过电化学手段进行检测，只是后者没有血糖仪的商品化程度高，但在未来一定可以成为家用医疗器械的很重要的一部分。
家用电化学生物传感器，已经有很多研发工作开始转向智能化，手机集成化方向。越来越犀利的手机可以为电化学生物传感器提高电压电流（特殊的APP控制），提供一定光（CCD摄像头），开放式的多种接口（USB，耳机接口），所以未来的家用电化学生物传感器可以做成手机的外部固件，使用手机作为检测主体，以APP形式做结果报告，并可实时上传云端，未来实现家用医疗数据库的云端同步。当然了，这些仍然还是处于概念阶段，国外好像已出现部分样机，国内暂无。
综上，总体而言，鄙人觉得电化学生物传感器在医学检测方向，虽然有一些弊端，道阻且长，但是不能否认其巨大潜力。
刚毕业的学酥，一家之言。说错的地方，请大牛指正。