全血作为最重要的生物体液之一，为健康管理和疾病监测提供了关键信息。在过去的10年中，纳米技术、微流体和生物标志物研究的进步促进了强大的小型化诊断系统的发展，用于全血检测，以实现疾病监测和治疗的目标。

*全血检测

在用于全血诊断的技术中，已知电化学生物传感器具有快速、灵敏、能够微型化、无需试剂和免洗涤等优点，成为一类十分具有发展前景的新兴技术，以在复杂介质中特异性地和直接地实现目标检测，如全血，甚至是活体。

*2008年-2003年出版物数量图表

电化学生物传感器已广泛应用于检测各种各样的目标分子，包括离子、小分子、核酸、蛋白质和细胞等。为了实现灵敏、选择性和可重复的全血分子测量，各种策略已被应用于电化学生物传感器平台。

*用于全血分析的电化学生物传感器

电化学生物传感器及其信号

近期，中国地质大学（武汉）夏帆教授团队李辉教授，在国际化学权威杂志Chemical Reviews上发表了题为Electrochemical Biosensors for Whole Blood Analysis: Recent Progress, Challenges, and Future Perspectives的综述。该综述详细总结了过去十年电化学传感器全血分析的发展进程，并讨论了其转化为临床应用或商业化的未来前景和挑战。

电化学生物传感器是一类利用生物分子或受体识别目标分析物并由此提供定量或半定量分析信息的集成装置。由于其信号传导机制依赖于生物识别，这类生物传感器具有特异性和选择性，这使得它们被广泛探索用于分析各种各样的目标分子，包括小分子、核酸、蛋白质和细胞等。

*通过电化学生物传感器检测的小分子和核酸的参考范围总结

在这些技术中，伏安法/安培法是最常用的一种，占所有这些技术的76%。在这一类别中，根据施加电势的方式，几种技术被用于传感器询问，包括例如循环伏安法（CV）、计时电流法（CA）、差示脉冲伏安法（DPV）、方波伏安法（SWV）和线性扫描伏安法（LSV）。下图展示了上述电化学技术的简要技术的原理。

*用于电化学生物传感器的技术的机理：(a) LSV, (b) CV, (c) DPV, (d) SWV, (e) CA, (f) CC, (g) EIS

在电化学生物传感器所包含的所有组分中，识别元件是保证其灵敏度和特异性的“核心”组分。在生物传感器开发的早期阶段，识别元件主要从生命系统中收集。随着这一领域的发展，研究人员正在将重点从生命系统转移到合成方法，因为它具有高效率和可重复性。下图总结了用于全血分析的电化学传感器集成中最常用的识别元件，包括适体、核酸、肽、肽核酸（PNA）、蛋白质、抗体、酶、凝集素、表位和分子印迹聚合物。

*各种生物识别元件被集成到电化学生物传感器中

小分子检测

研究人员总结了用于分析小分子的几种电化学生物传感策略，包括神经递质、代谢物、药物、氨基酸和其他小分子靶标和用于这些策略的相应信号的各种传感器架构。

*用于电化学生物传感器的策略，以实现对小分子的高灵敏度，特异性检测：(a) 直接检测, (b) 适体测定, (c) 框架测定, (d)免疫测定, (e) MIP策略, (f) 酶测定, (g) 小分子电化学检测中采用的信号变化、包括方波/差分脉冲伏安法、EIS、计时电流法和循环伏安法技术

神经递质检测

神经递质是哺乳动物中枢神经系统中的内源性初级化学信使，在生物细胞间的信息传递中起着重要作用，对机体的健康和疾病具有重要的指示作用。研究人员总结了可用于测量血液样品中的神经递质的电化学方法，包括多巴胺，乙酰胆碱等神经递质的测定。

*神经递质的运输

多巴胺的检测：多巴胺（DA）是一种重要的神经递质，在生物体的中枢神经系统中发挥重要作用，健康个体的DA血液水平介于0.01至1 μM之间。多巴胺水平的紊乱与几种疾病密切相关，如精神分裂症、帕金森综合征、阿尔茨海默病和欣快症。

*几种DA电化学传感器的制备和检测

乙酰胆碱的检测：乙酰胆碱（ACh）是神经细胞释放的主要神经递质之一，用于向其他细胞类型传递信号，乙酰胆碱在周围神经系统（PNS）和中枢神经系统（CNS）中充当神经调节剂。正常个体的乙酰胆碱血液水平约为8.66 ± 1.02 nM升高的水平与大脑中乙酰胆碱产生系统的损伤密切相关，这与阿尔茨海默病的记忆缺陷有合理的关联。

*几种基于纳米材料的Ach电化学传感器的制备和检测

代谢产物检测

葡萄糖的检测：糖尿病（DM），是一组影响长期控制血糖水平的代谢性疾病，空腹血糖值≥7.0 mmol L-1（126 mg dL-1）或随机血糖≥11.1 mmol L-1（200 mg dL-1）伴体征和症状（即，多尿、多饮、体重减轻、疲劳）被认为患有糖尿病。2019年，全球共有4.63亿人被诊断为糖尿病，占全球成年人口的9.3%。预计到2030年，这一数字将增加到5.78亿（10.2%），到2045年将增加到7亿（10.9%）。

*世界糖尿病日

大多数这些测定是基于电化学技术来执行测量，众所周知，酶法在葡萄糖检测领域占主导地位，特别是随着自我检测和连续血糖监测的不断发展。随着纳米技术在过去十年中的巨大进步，新的先进纳米材料导致了非酶葡萄糖传感器的最新发展，具有低成本，快速响应和卓越的灵敏度。本文对非酶法和酶法两种葡萄糖检测方法的研究进展进行了综述。

*用于葡萄糖分析的电化学生物传感器：(a)基于CoPc/IL/G的葡萄糖传感器的制造、修饰和分析程序的示意图；(b)葡萄糖印迹聚合物葡萄糖传感器的制作示意图；(c)GOD微球的制备及生物传感器工作电极示意图

尿素的检测：尿素在人体中，尿素在肝脏中产生并合并到血液中，最后通过肾脏排出到尿液中，少量尿素通过汗液排出，血清尿素浓度的正常范围为3.3 - 6.7 mM，低于或高于此范围的干扰浓度会导致肾衰竭、肝衰竭、肾病综合征、病毒学、尿路梗阻、脱水、休克、烧伤和胃肠道问题。因此，尿素的分析和检测对临床诊断、环境监测和食品化学具有重要意义。

*(a)Ti3C2使能的微流体芯片的制造的示意图；(b)制备Pt/IMo 6/GO-GCE修饰电极的程序；(c)纳米金/多壁碳纳米管-1芘羧酸材料制备及多巴胺和尿酸在Au/CNT-PCA修饰玻碳电极上的电化学反应机理示意图

药物检测

药物是指能够影响人体器官生理功能和细胞代谢的所有化学物质，用于预防、诊断和治疗疾病，个性化医疗揭示了个体依赖性对药物作用强度的重要性，这意味着在临床上对药物进行实时准确的监测对于患者的治疗至关重要。

*血液中的药物示意图

可卡因的检测：可卡因被用作最强大的成瘾性中枢神经系统兴奋剂之一，也是世界公认的最常见的滥用药物之一，可卡因可以阻断电压依赖性钠通道，这是一种导致相关麻醉作用的作用，血浆或全血中可卡因浓度之间缺乏相关性，在死亡后仍然存在，因此无法指定“有毒”或“致命浓度”。因此，可卡因的分析和检测对临床诊断具有重要意义。

*(a)基于电化学适体的传感器的双报告漂移校正；(b)免校准的基于电化学适体（E-AB）的生物传感器；(c)示意性地示出了在连续流动的未稀释血清中用于真实的可卡因检测的实验装置

茶碱的检测：茶碱，也称为1，3-二甲基黄嘌呤，是最常用的支气管扩张剂和呼吸刺激剂之一，有效支气管扩张作用的血浆中茶碱水平在20−100 μM的浓度范围内，这需要在临床实践中进行频繁和准确的监测，以避免毒性甚至致命作用。

目前，已经开发了几种分析方法，包括气相色谱法或液相色谱法、紫外光谱法和免疫测定法，用于测定茶碱，这些方法很耗时，特别是对于复杂样品的测定，它们需要包括分离、萃取和吸附的预处理。作为回应，电化学技术被认为是更高效和有效的传感器技术。

*(a)基于RNA适体的茶碱电化学传感器的示意图；(b)基于银离子被捕获到AP位点掺入的双链DNA中的氧化还原反应的电化学系统的示意图；(c)DNA单分子层程序可及性DNA生物传感器检测全血中Dox的方案；(d)Dox的E-AB传感器方案

氨基酸

氨基酸的检测：氨基酸是一类小的生物分子，作为生命的基石发挥着重要作用，某些必需氨基酸的浓度与某种疾病有关，。例如，半胱氨酸与心血管疾病（CVD）和阿尔茨海默氏症密切相关，而肌氨酸可用于缓解抑郁症和精神分裂症的症状。氨基酸的测定对于疾病诊断至关重要，但并非微不足道。

在生物样品中，检测氨基酸的分析方法包括柱前或柱后化学衍生化后的GC或LC，然后对氨基酸衍生物进行MS、UV或荧光检测。这些方法复杂且耗时。相比之下，电化学生物传感器具有高灵敏度、快速响应、紧凑和低成本的特点，近年来已被广泛用于氨基酸分析，包括色氨酸、同型半胱氨酸和L-半胱氨酸。

*临床样品中的肌氨酸检测。(a)基于BEH的肌氨酸传感器示意图；(b)基于BEH的电化学生物传感器装置的工作原理；(c)应用多路电化学芯片检测了90份临床标本中的肌氨酸；(d)统计分析表明，使用肌氨酸传感器可以有效区分癌症患者和正常人；(e)使用市售试剂盒对临床样本进行对照肌氨酸测定；(f)使用肌氨酸传感器区分正常和PCa的ROC分析

核酸检测

具有特定序列的核酸的分析对于临床诊断和疾病治疗越来越重要，例如，核酸可用于快速有效地鉴定传染病、癌症和许多其他疾病，已经发现了用于液体活检的各种核酸，包括microRNA、ctDNA、cfDNA、DNA甲基化等。

尽管核酸分析具有很大的价值，由于超低浓度和低丰度，临床样品中核酸的分析仍然极具挑战性，这意味着该技术必须达到高灵敏度和特异性，以区分特定序列与密切相关的分子。在这样的背景下，电化学基因传感器成为近年来最新兴的核酸分析技术之一。

*核酸分子示意图

通常，核酸的测定依赖于它们在捕获链和靶链两者之间的杂交，有时在DNA辅助物或竞争物的辅助下，对于超低浓度，研究人员也探索了扩增策略的可能性，包括酶法、DNA纳米结构或纳米材料等。本文总结了典型的电化学生物传感策略及其最常用于核酸分析的电化学信号机制。这些策略如下图所示：

*基于电化学生物传感器的多种核酸检测策略(a)双链杂交，(b)链置换，(c)嵌入方法，(d)框架测定，(e)扩增测定，(f)酶测定，和(g)用于核酸电化学检测的信号变化，包括方波/差分脉冲伏安法，EIS，计时电流法和循环伏安法技术

MicroRNA的检测

MicroRNA的检测：microRNA是一类内源性的、非蛋白质编码的单链短RNA（17 - 25个核苷酸），在许多过程中作为有效的调节剂，如代谢，细胞分化，增殖，肿瘤发生和肿瘤形成。

miRNA的表达与疾病预测密切相关，及其浓度变化提供了各种类型癌症以及心血管和神经退行性疾病的指示性进展信息。鉴于此，准确和快速检测血液中超低水平的miRNA对于通过成像分析在疾病出现之前的早期临床诊断中开发液体活检非常重要。

*(a)使用SEOMR传感器检测ExomiR的示意图；(b)用于检测复杂基质中的miRNA的基于DNA-Au@ MNP的传感策略中涉及的步骤的示意图

cfDNA的检测

cfDNA的检测：cfDNA是血浆中肿瘤来源的无细胞DNA的，是可被鉴定为肿瘤的基因组特征标志之一，癌症患者的cfDNA量在不同患者之间存在显著差异，但通常高于健康对照组。在健康个体中，血浆cfDNA范围为5至50 ng mL-1，中值为5 ng mL-1血浆。在癌症患者中，血浆cfDNA水平通常低于100 ng mL-1，约低于17000基因组当量(GE) mL-1。

cfDNA的分析可以揭示肿瘤的突变谱，这需要分别区分来自健康细胞和肿瘤细胞的核酸和相应的突变核酸，为了实现这一点，设计了电化学钳测定，用于使用双链杂交测定分析患者血清中的突变序列。

*检测KRAS突变的钳夹方法的示意图：(a)钳策略，(b)基于传感器的检测，(c)电化学读出，(d)具有传感器的微制造芯片的示意图，和(e)传感器的扫描电子显微镜图像

病毒DNA的检测

病毒DNA的检测：检测与病毒、细菌和人类相关的特异性DNA对于诊断遗传性疾病具有重要意义。例如，来自B型肝炎病毒（HBV）的DNA被鉴定为用于其感染的早期诊断的标志性生物标志物，并且可以在血清或干血斑中检测到。

使用传统的聚合酶链反应（PCR）方法可以在103至109份 mL-1的范围内识别HBV DNA序列的浓度范围。电化学基因传感器由于其方便和灵敏度而被广泛探索用于HBV DNA的分析，其为患者提供了床旁检测。

*基于氧化钴多孔纳米立方体的乙型肝炎病毒DNA的电化学免疫生物传感的示意图

蛋白质检测

作为临床环境中最常用的一类生物标志物，从所有身体组织分泌的蛋白质标志物在疾病的早期诊断和进展以及预后评估中起着重要作用。这在很大程度上归因于血浆中存在大量蛋白质的可用性，数以万计的核心蛋白质，其丰度范围广泛，跨越10到11个数量级。

近年来，生物传感器技术的发展极大地提高了人们对疾病及其治疗方法的理解和认识，最终目标是实现个性化医疗。下图展示了用于蛋白质电化学分析的最常用策略及其信号传导机制。

*用于蛋白质分析的电化学生物传感器的检测策略。(a)适体分析，(b)竞争模型，(c)MIP策略，(d)免疫测定，(e)β-型适体分析，和(f)电化学检测蛋白质中采用的信号变化，包括方波/差分脉冲伏安法，EIS，计时电流法和循环伏安法技术

脑疾病相关生物标志物的检测

β淀粉样蛋白（Aβ）的检测：Aβ是一种存在于脑和脑脊液中的肽，由β-和γ-分泌酶切割淀粉样前体蛋白产生，具体而言，该蛋白质首先被β-分泌酶切割以产生99个残基的肽，并且该肽在C-末端的不同位置被γ分泌酶进一步切割，产生40个或42个残基的肽，即，Aβ40和Aβ-42。

Aβ1-42和Aβ1-40的血浆水平范围为45至320 pg mL-1，这两种肽被认为是与阿尔茨海默病相关的认知障碍的关键预测因子，因为它们已在此类疾病患者大脑的淀粉样蛋白沉积物中被鉴定出来。

*β淀粉样蛋白（棕色部分）

肝脏生物标志物的检测

人血清白蛋白（HSA）的检测：作为血液中含量最丰富的蛋白质，HSA在渗透压止血过程中起着重要作用，在健康个体中，血清中的HSA浓度范围为35至50 μg mL-1。HSA水平升高已被广泛确立为肝脏疾病（如肝脏增生）的最早预后生物标志物之一。

HSA蛋白对糖化过程高度敏感，例如，糖化白蛋白（GHSA）是糖尿病的中期血糖控制生物标志物，其通常与糖化血红蛋白（HbA 1c）结合用于糖尿病的临床诊断。无标记微流体电化学免疫传感器已被构建为具有内置芯片再生能力，用于以全自动方式精确测量HSA。

*微电极无标记EC生物传感系统的检测原理:(a)制作的微电极的照片和

(b)[Fe(CN)6]3−/4−氧化还原过程中抗原结合后抗体-抗原结合后电荷转移的示意图；(c)针对不同标准人血白蛋白浓度绘制的Nyquist图和(d)在未进行药物处理的原代肝细胞生物反应器中白蛋白和GST-α产生速率的自动连续EC测量

心脏生物标志物的检测

肌钙蛋白的检测：心肌肌钙蛋白家族包括肌钙蛋白I（cTnI）、肌钙蛋白T（cTnT）和肌钙蛋白C（cTnC），前两者通常被认为是特异性的，因此被用作急性心肌梗死（AMI）的生物标志物。然而，cTnI作为其天然形式不稳定，它与cTnC形成复合物（I-C复合物）或与cTnT和cTnC形成复合物（I-T-C复合物）。

在健康个体中，这些生物标志物保留在心肌组织中，一旦发生AMI，它们会释放到血液中，临界水平升高至70 - 400 pg mL-1，这表明监测cTnI及其I−C复合物是早期诊断AMI的有效方法。

*心脏坏死细胞中的肌钙蛋白

最近，开发了一种基于倒置分子摆（MP）的传感机制，用于检测不同生物体液中的cTnI，传感方法依赖于MP的靶依赖性运动，其产生场诱导转运作为信号读数。连接的报告分子的电子转移动力学被用来测量这样的电场介导的运输。

结合到传感器复合物的分析物的存在可以使用时间分辨的电化学测量来连续地真实的实时跟踪。采用计时电流法，线性范围为100 ~ 10 ng mL-1，检测限为1 pg mL-1。基于MPs的传感器为血液、唾液、尿液、眼泪和汗液中的cTnI分析提供了一种通用方法，甚至可以在活体动物中原位部署。

*生物流体和活体动物中心脏标记物的分子生物学监测。(a)使用双链DNa和肌钙蛋白I特异性抗体构建A蛋白结合MP；(b)在存在（实线）和不存在（虚线）肌钙蛋白I（100 pg mL−1）的情况下，使用计时电流法观察结合诱导的转运调节；(c)检测不同生物体液中的心肌肌钙蛋白I，包括唾液、汗液、泪液、尿液和血液；(d)小鼠模型中心肌肌钙蛋白I的原位连续监测

肿瘤生物标志物的的检测

肿瘤生物标志物通常局限于检测隐匿性（隐藏）癌症，然而，一旦使用肿瘤生物标志物发现特定肿瘤，该标志物可能是监测临床治疗的良好方法。或者，肿瘤标志物水平也可以反映疾病的阶段，指示肿瘤进展的速度并帮助指导预后。使用肿瘤生物标志物的优点还包括早期检测和侵入性较小的诊断，这提供了有关疾病的信息，以允许定制治疗，并避免不必要的治疗带来的副作用。

*肿瘤与免疫

癌胚抗原（CEA）的检测：CEA被认为是广泛的生物标志物，可以在几种癌性疾病中发现。CEA被鉴定为包括乳腺癌、肺癌、胰腺癌、胃癌、结肠癌、卵巢癌和结肠直肠癌的几种癌性疾病的广泛生物标志物。在健康个体的结肠组织中，CEA的水平低至2.5 μg L-1与此形成鲜明对比的是，癌症患者血清中的CEA浓度显著升高，表明癌症的复发或进展。

“早诊断，早治疗”是癌症疾病诊断和治疗的黄金法则，早期诊断意味着高灵敏度的生物标志物检测。为了实现这一目标，开发一种对CEA具有高亲和力的强大技术至关重要。电化学免疫测定法被广泛探索和开发，用于分析CEA。

*(a)Au @ Pd NDs/Fe2+-CS/PPy NTs的制备过程及无标记免疫传感器工作电极的制备过程；(b)基于P5 FIn/erGO纳米复合物的PEC免疫分析的构建过程；(c)免疫传感器的制造和CEA检测过程的示意图

细胞和细胞分泌的外泌体检测

细胞和细胞分泌的外泌体被认为是疾病早期诊断、疾病进展甚至治疗的生物标志物。例如，循环肿瘤细胞（CTC）提供了关于肿瘤表型、癌症预后和治疗效果的大量信息，外泌体是细胞外囊泡（30 - 150 nm），通过内溶酶体途径从细胞中释放。外泌体的检测策略已在几篇综合综述文章中进行了总结。

*细胞与细胞分泌物

设计ELISA偶联的电化学方法用于使用微流体细胞捕获系统同时分离和检测癌细胞，使用用于传感器询问的DPV技术，用抗细胞角蛋白18抗体与预标记的碱性磷酸酶（ALP）识别捕获的细胞作为信号读出。

开发了基于金属纳米颗粒（MNP）的电化学适体传感器，用于检测前列腺癌分泌的外泌体和微粒体。具体地，首先通过具有多重金传感器的微制造芯片捕获外泌体和微粒体，然后使用MNP的电氧化来报告外泌体和微粒体上特异性表面标志物的存在。

*(a)癌细胞捕获和电化学检测方法的示意图；(b)外泌体和微粒体的两步分离和分析的示意图

通过使用适体官能化和AuNP阵列修饰的磁性石墨烯纳米片识别探针设计用于检测全血中罕见CTC的伏安传感器，在该传感器平台中，首先将样品与AuNP阵列修饰的磁性石墨烯纳米片孵育，然后用磁体分离。最后，将所得的具有靶向CTC的样品溶液滴到丝网印刷的碳电极上，产生两个不同的伏安峰以识别这两个靶。

*适配体/电活性物质负载的AuNP扩增信号探针以及全血中靶CTC的捕获、分离、扩增和多重检测的图示

挑战和未来展望

电化学生物传感器已经成为个性化医疗的新兴技术，因为它们直接用于临床样品（包括尿液、血清甚至全血）的分析目的的潜在用途。理想情况下，电化学生物传感器应能够检测复杂基质（如全血）中的痕量分析物，具有快速检测、精确和良好的准确度、需要极小的样品体积、无需样品预处理、良好的稳定性、无需校准步骤用于连续监测、以及最后，低成本和易于测定程序的特点。

*各类电化学生物传感器汇总

对于不同的应用，电化学生物传感器的检测模式从体外，离体，体内，在线，在线，异位，原位，从一次性使用到连续，实时监测等，在一些特定的应用中，如可穿戴设备，电化学传感器应具有先进的性能，如生物相容性，无毒，无动力操作。每一个列出的理想特征仍然是科学的挑战。

*电化学生物传感器的体外检测

然而，对于连续葡萄糖仪仍然存在一些挑战，例如对校准步骤的要求。该示例表明，开发具有临床使用的期望要求的这种传感器是极具挑战性的。本文有见地的讨论了电化学生物传感器的功能，什么已经开发，并需要进一步努力，以实现面临这些挑战的临床应用。

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