基于电位计的生物传感器进行生物标志物检测的研究进展（下篇）
? ? 光电化学（PEC）传感器是近年来继电化学、光化学和光学分析法之后新出现并迅速兴起的一种检测方法，其基本原理是待测物质与光电化学活性物质之间发生化学或物理相互作用导致光电流或光电压发生变化，以实现对待测物的定量测定。光电化学（PEC）传感器主要用于生物标志物的检测（Pardo-Yissar 等人，2003 年；Shu 和 Tang 2019 年）。光对光活性材料（PAM）的影响以及电化学检测中的响应曲线都是基于PEC系统(Suresh et al., 2019)。光子通过PAM吸收了足够的能量，因此产生了电子-空穴对。具有光电化学活性的材料通过光电化学过程产生光电响应的机理主要有以下两种：（１）当在周围电解质溶液中存在还原性物种时，处于激发态的光电活性物质可以被还原至基态，从而使光电化学过程持续循环进行，进而产生持续光电流；（２）当电子供体或受体作为猝灭分子存在时，在激发态分子与猝灭分子之间会发生电子转移（ＥＴ），进而发生氧化还原反应或电极表面电子转出，形成光电流，并使光电材料恢复至基态参与下一次光电响应。
? ? 相比于科学家对光电化学传感器方法学的研究，很少有研究指出可以利用基于电位的光电化学传感器来作为生物标志物的检测，这主要还是因为光敏材料的选择限制造成的。戴等人报告了电位可寻址光电化学策略作为一种新型的选择性监测传感器，并确定两种前列腺癌生物标志物（Dai 等人，2016）。在他们的研究中，用聚酰胺改性的双盘电极 (DDCE) 树枝状聚合物 (PAAD) 和立方锐钛矿、TiO2、介晶(CAM) 被提议作为稳健且高度灵敏的 PEC 传感系统。两种光敏剂即壳聚糖 (CS) 功能化碘化银以及CS-AgI标记了不同的抗体，碳氮化石墨烯(g-C3N4) 涂覆在电极表面，用于检测两种（人白细胞介素-6（IL-6）和前列腺特异性抗原（PSA））的关键指标。在该传感器中，选择g-C3N4 作为阳极光电流和 CS-AgI 作为阴极光电流来改善传感器的灵敏度，图 14 显示了利用该光电化学传感器来检测生物标志物的示意图。
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? ? 张群（Zhang etal., 2017）构建了光电化学适配体传感器，为了实现这一目标，磷酸铋(BiPO4) 纳米粒子 (NPs) 和 BiPO4 还原的氧化石墨烯(rGO) 纳米复合材料 (NC) 沉积在氧化铟锡 (ITO) 上用于记录阳极光电流和阴极光电流，图15分别描述了光电化学适配体传感器的整个过程，另外有许多研究报告利用基于电位计的光电化学的传感器来检测生物标志物的文献，比如检测生物以及药用化合物，如钙，大肠杆菌、肌红蛋白和心肌肌钙蛋白 I。（Cao 等人，2020 年；Hua等，2018 年；Hun 等人，2020 年）。光电化学技术作为生物标志物传感系统在研究中受到重视，然而，与其他传统传感器相比，成本较高以及难以小型化成为该传感器市场化的主要障碍。
【可穿戴电位生物标记的传感器】
? ? 可穿戴电位传感器 (WPIS) 代表了不同的电位计生理学和临床的应用（Bandodkar 等人，2016a；Choi等人，2018b；McCaul 等人，2017）。他们在研究中受到关注，因为他们使用化学、材料和电子特征，以提供有用的生理学信息。尽管科学家为了开发可穿戴电位传感器做出了巨大的贡献，但是在满足实际的需求方面仍然存在着不小的差距。（Jin 等，2017；Wu 和 Haick，2018）。已经有超过25% 的已发表论文是关于开发可穿戴电化学传感器领域以及可穿戴电位离子传感器有相关的。（WPIS）。这也证实了电化学传感器的确朝着这个方向进行快速的发展（Kim et al，2017; Parrilla et al.，2019a）。WPIS为生物标志物和 pH 监测开拓了新的发展方向（Cuartero和 Crespo2018 年；Liu 等人，2017 年）。pH 值的监测是一个非常关键的因素，包括慢性伤口的管理以及关键阳离子的测量。通过检测阳离子的变化，能够有利于了解以及控制一些疾病，这些疾病包括心脏病和囊性纤维化、低钾血症和高钾血症以及低钠血症和高钠血症。在不影响人体的穿戴舒适度的情况下，分析设备可以采用从腕带到贴片的多种设计。WPIS参与监测包括钠在内的几种关键生物标志物和汗液中的钾。WPIS 可以定义为基于离子选择性的电化学系统（Hecht 等人，2009 年；Hu 等人，2016 年）。这个系统是一种生物标志物检测工具，用于测量生物体的离子活度或浓度。它创建了一个身体在不同配置下的生理活动的完整信息，例如汗带、纺织品和表皮贴片（图 12）（Parrilla 等人，2019a)。像所有类型的电位传感器一样，电极发挥着在测量系统的响应和效率中起重要作用（Cuartero 等人，2016 年）。电位计中最常用的电极传感器是金 (Au)、碳基化合物（石墨、纳米管或玻璃碳）到聚合物基材（例如，PVC、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）），铂和银（Bobacka和 Ivaska 2010；Guzinski 等，2017；贾维斯等人，2018 年；Jaworska 等人，2018 年）。另一方面，Ag/AgCl/KClsat是 WPIS 中的常规参比电极。配位聚合物（CPs）和碳纳米材料是两种在 WPIS 中常用的指示电极 (Bandodkar等，2016b；Hern′andez 等人，2012 年）。
? ? Parrilla等提出了一种可穿戴的微针贴片，通过电位来检测组织液中的钾离子。在不锈钢中空微针上涂覆不同种类的涂层，作为微针传感器的电极。其中涂覆Ag/AgCl的不锈钢微针作为参比电极，涂覆碳/功能化的多壁碳纳米管(f-MWCNTs) 的微针作为钾离子选择电极，并固定在柔性的PDMS衬底上实现可穿戴的效果。对鸡和猪皮内钾离子浓度的测量，活度检出极限为10–4.9 mol/L，线性范围为10–4.2–10–1.1 mol/L，证明了微针在体内有良好的应用潜力，同时体外细胞毒性实验表明，该贴片能够使用至少24 h，对皮肤没有任何副作用。（如图13所示）。
? ? 表1总结了近年来关于WPIS的研究成果，WPIS具有以下优点：包括样品量要求低、小型化、降低成本、多功能性和简单性等。尽管 WPIS 在快速分析标志物的应用中越来越广泛，但它们也存在着一些共同的缺点，比如皮肤污染、低采样率以及干汗等现象依然存在
【分子印迹聚合物系统的传感器】
? ? 分子印迹聚合物（MIP）是人工合成的材料，可模拟生物大分子（例如底物酶或抗原抗体）的分子识别过程。这些仿生材料与电化学技术的结合，可以开发出先进的传感设备，从而显着提高裸露或经催化剂改性的传感器的性能，从而释放出新的应用前景。
? ? 各类电化学仪器由于技术相对成熟、价格低廉而在不同的研究领域得到了广泛使用，结合分子印迹聚合物特异性识别能力和电化学分析方法灵敏度高、干扰小的优点，基于分子印迹聚合物的电化学仿生传感器非常有希望也最容易实现大面积的推广根据电化学分析方法以及所检测的电信号的不同，电化学仿生传感 器主要分为电位型、电流型、电容型、阻抗型等等。?
? ? 分子印迹聚合物（MIP）是由合成聚合物量身定制的，旨在模仿天然生物亲和分子的识别特性。MIP结合了与目标有机分子形状和官能团互补的结合基序，以模拟天然大分子的复杂结合表面。这赋予了选择性和特异性，并具有人工MIP聚合物稳定性的额外优势，并且易于适应于制造和创建用于电化学传感和实验室外测试的小型亲和力界面。它们作为药物提取和浓缩的稳健吸附剂相的通用功能，可通过活性电化学表面进行有针对性的界面询问。
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? ? Nezha El Bari在这项研究工作中使用分子印迹聚合物（MIP）传感器和伏安电子舌（VE-舌头）检测尿液样本中的磷酸二苯酯（DPP）。在这方面，首先将金纳米颗粒（Au-NPs）和二氧化钛（TiO 2）设计到丝网印刷的碳电极（SPCE）上。然后，通过在DPP分子作为模板的情况下本体聚合甲基丙烯酸来制造传感器。为了获得具有最佳性能的传感器，对关键实验参数进行了很好的优化。该传感器在0.1–24.3 ng / mL的范围内具有良好的线性（R 2 = 0.98），并且灵敏度高（0.141μA/ ng.mL -1）和低检测限（LOD = 0.063 ng / mL）。而且，获得了合适的稳定性和选择性，重现性和重复性分别达到了2.3和3.02％的RSD。对于指甲油使用者尿液样品中的DPP测定，该传感器显示出与分光光度法（RSD≤4％）作为参考方法一致的良好结果。其次，通过VE舌头结合化学计量学进行定性分析，对指甲油使用者的尿液样本进行分类。偏最小二乘（PLS）方法提供了从两个系统数据获得的具有回归系数（R = 0.99）的预测模型。因此，MIP传感器和VE舌头可能是用于化妆品应用的可行电化学工具。
