抗污界面构建及其电化学生物传感应用进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210144

摘要/Abstract

摘要：

电化学生物传感器具有灵敏度高、便携性好、响应快速和易于集成等优点，在临床检测方面有很大应用潜力，并在可穿戴健康监测领域得到了快速发展。但在实际临床生物样本检测中，非靶标生物物质会在电极表面产生非特异性吸附（即生物污染），影响了电化学生物传感器的性能。因此，构建具有防污染能力的传感界面（抗污界面），防止非靶标物质吸附到电极表面，对于扩大电化学生物传感器的实际应用范围，实现在复杂生物样本中的检测至关重要。本文概述了物理、化学和生物抗污电极界面的构建及其在临床相关生物标志物检测中的应用，为电化学生物传感器实际应用性能的提升提供技术参考，并通过对界面抗污原理和存在问题的探讨，对抗污界面发展前景和未来趋势予以展望。

关键词: 抗污界面, 电化学生物传感, 生物样本, 临床检测

Abstract:

Electrochemical biosensors have made rapid development in the field of wearable healthcare monitoring and have great potential applications in clinical detection due to high sensitivity， good portability， fast response and easy integration. However， non-specific adsorption of non-target biological substances on the electrode surface （i.e.， biofouling） when exposed to the actual clinical biological sample affects the performance of electrochemical biosensors. Therefore， the construction of a sensing interface with antifouling capability （antifouling interface） to prevent non-target substances from adsorbing to the electrode surface is of great importance for expanding the practical application range of electrochemical sensors and realizing detection in complex biological samples. In this review， antifouling electrode interfaces based on physical， chemical， or biological strategies and their application in clinical biomarker detection are summarized， which provides technical references for the improvement of electrochemical biosensors in practical application. Finally， we discuss the principle， current problems and positive prospects of antifouling strategies in complex sample matrix.

Key words: Electrochemical sensor, Biological sample, Antifouling, Clinical detection

中图分类号:

O652

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图/表 6

图1 纳米金孔和平面金界面在溶液中存在白蛋白和小氧化还原分子时的示意图［13］

Fig.1 Simplified graphical representation of the surface of nanoporous gold and planar gold in the presence of albumin and a small redox molecule in solution［13］

图2 Fe3O4@Au@PEG@CSA NPs的制备和稳定性示意图及其抗污性能的检测步骤（A）和磁性NPs在疾病标记检测中的应用（B）［35］

Fig.2 Illustration of the fabrication and stabilization of Fe3O4@Au@PEG@CSA NPs and procedure for detection of its antifouling performance （A） and the application of magnetic NPs in disease marker detection （B）［35］

图3 制备的用于检测TNF-α的免疫传感器原理图［46］

Fig.3 Schematic of the fabricated immunosensor for detection of TNF-α［46］

图4 基于DNA纳米结构的三维平台的构建［59］

Fig.4 Construction of a three-dimensional DNA nanostructure-based platform［59］

图5 PANI支撑的多肽电流型生物传感器制备的示意图［69］

Fig.5 Schematic illustration of the preparation of a PANI supported peptides-based amperometric biosensor［69］

表1 不同抗污界面及其电化学生物传感器的抗污和检测性能

Table 1 Antifouling and detection performance of different antifouling interfaces and their electrochemical biosensors

抗污策略	抗污原理	抗污组成	靶标分子	检测基质	线性范围	检测限	参考文献
Antifouling strategies	Principle	Antifouling component	Target	Matrix	Linear range	Detection limit	Ref.
物理抗污 Physical	孔径限制 Pore size restriction and filtration	纳米多孔金	脱氧核糖核酸	牛血清白蛋白	10~200 nmol/L	－ ^a	［15］
		Nanoporous gold film	DNA	BSA	10~200 nmol/L	－ ^a	［15］
		纳米多孔氧化铝膜	癌抗原15?3	全血	60~240 U/mL	52 U/mL	［20］
		AAO nanoporous membrane	CA15?3	Blood	60~240 U/mL	52 U/mL	［20］
化学抗污Chemical	水化层 Hydration layer	PEG和糖胺聚糖抗污层	人乳头瘤病毒DNA	100%血清	0.001~10 nmol/L	－	［35］
		PEG and CSA layer	HPV DNA	100% serum	0.001~10 nmol/L	－	［35］
		苯基磷酰胆碱抗污层	肿瘤坏死因子α	磷酸缓冲盐溶液	0.1~150 pg/mL	0.1 pg/mL	［46］
		PPC layer	TNF?α	PBS	0.1~150 pg/mL	0.1 pg/mL	［46］
生物抗污Biological	空间位阻	DNA纳米结构	凝血酶	磷酸缓冲盐溶液	100~ 100000 pmol/L	100 pmol/L	［59］
	Steric hindrance	DNA nanostructure	Thrombin	PBS	100~ 100000 pmol/L	100 pmol/L	［59］
	水化层	多功能肽	免疫球蛋白G	血清	－	0.26 ng/mL	［69］
	Hydration layer	Multifunctional peptide	Immunoglobulin G	Serum	－	0.26 ng/mL	［69］
	孔径限制	多孔纳米复合物涂层	白细胞介素6	血浆	－	23 pg/mL	［70］
	Pore size restriction	Porous nanocomposite coating	Interleukin 6	Plasma	－	23 pg/mL	［70］

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