电化学生物传感器基本原理

　　从点保健角度来看，电化学生物传感器具有多种优势，因为它们具有携带方便，操作简单，使用方便，性价比高，并且，在大多数情况下，一次性。电化学生物传感器基于在电极表面执行的电化学过程。在这些生物传感器中，监测电极表面上期望的电化学反应的电信号的变化。电化学信号通常是通过电极施加的电势，电流或频率的结果。
　　 在电化学生物传感器系统中，需要三个集成组件来设计生物传感器：与分析物特异性相互作用的生物识别元件；信号转换器，可从分析物与生物分子的特异性相互作用中产生可测量的信号；以及用于数据管理的电子系统。第一个因素特别重要，因为生物传感器设备的成功受到生物传感分子的敏感性和特异性的影响。一系列分子识别元件已用于生物标志物检测。抗体，酶和合成分子识别元件是使用最广泛的识别分子。它们已用作与分析物相互作用以进行特定检测的亲和材料。关于生物传感器的设计和生物识别分子的类型，生物传感器可以分类为免疫传感器，适体传感器，酶促生物传感器和遗传生物传感器。本文的重点是免疫传感器和适体传感器。
　　 电化学生物传感器的另一个组件是将识别分子和生物标记之间的亲和力相互作用转换为可测量电化学信号的传感器。电化学换能器可以归类为：电流型，电位型，电导型和阻抗型。该电化学生物传感器可以小型化，小口袋大小的设备，这使得它们适用于家庭使用。尽管通常使用安培和电位传感器，但伏安传感器是灵敏的电化学生物标记检测的首选。
　　 基于免疫分析的电化学生物传感器
　　 在作为生化检测和测量技术的免疫测定中，存在特异性相互作用，以识别和结合抗体与某个靶标，即抗原。在电化学免疫测定中，特异性抗体被固定在电极表面，并且抗体和抗原之间的特异性相互作用导致电化学反应。电化学免疫测定的设计有两种不同的策略：a）简单的抗体-抗原相互作用；b）夹心型抗体-抗原相互作用。
　　 简单的抗体-抗原相互作用
　　 在策略中，电极表面存在固定化抗体，并且将抗原引入到固定化抗体中，从而完成了免疫测定。在此策略中，在溶液中进行Ag浓度的测定，该溶液中包含一对氧化还原对。在不同浓度的银的存在下，由相同浓度的氧化还原对产生电化学响应。Ab-Ag相互作用的形成改变了生物传感器表面的电学性质。因此，电极表面与生物传感器表面的界面之间的电子传递速率以及因此生物传感器表面的电导率受到Ag浓度变化的影响。因此，在相同浓度的氧化还原对中，所得的氧化还原对的电化学响应与Ag浓度有关。文中介绍了简单的Ab-Ag相互作用和相关的电化学反应的形成。
　　 夹心型抗体-抗原相互作用
　　 但是，由于第一种类型的电化学生物传感器没有标签，因此无法放大响应信号。因此，这些免疫传感器的灵敏度和检出限不适用于分析用途，因此需要改进设计策略。为了在确定各种生物标记物时获得更高的灵敏度和选择性，已经引入了夹心型Ab 1 -Ag-Ab 2相互作用。在夹心型免疫传感器中，基于将不同种类的标记偶联至第二抗体来放大所得的电化学信号。在此设计中，主要抗体固定在电极表面上，然后将电极与目标Ag一起孵育。形成免疫测定后，将标记的Ab 2引入电极表面。标记的Ab 2与Ag有选择地相互作用，并且由于施加的标记，导致电化学信号放大。传统的夹心型电化学免疫传感器的设计总结了几乎所有与电化学免疫测定有关的研究的结果，这些电化学免疫测定可用于确定各种肺癌生物标记物。
　　 基于适体的电化学生物传感器
　　 在过去的三十年中，抗体已被认为是制造和开发生物传感测定法中的生物识别分子。然而，理想的感测系统应该是快速，坚固，灵敏，低成本并且能够自动化和最小化的。因此，研究人员试图寻找其他抗体样生物分子识别元件，以克服使用抗体的上述缺点。因此，选择新型的生物分子识别元件作为抗体的替代物无疑改变了生物传感器的设计策略。最近的发现表明，适体，即核酸的特定序列，具有针对其靶标的独特结合位点。适体术语源自拉丁语aptus，意为适合 。适体最初由Ellington 和Gold 于1990年报道，是长15至40个碱基的单链DNA或RNA序列。为了特异性结合其靶标，适体必须折叠成特定的三维结构。可以通过指数富集技术通过配体的系统进化来筛选适体。此外，适体作为合成抗体，与抗体相比具有多个优势。由于可以针对任何给定的靶标在体外选择适体，因此解决了选择细胞系或动物的限制。因此，还可以为有毒或非免疫原性靶标选择适体。另一方面，一旦选择了特定的适体，就可以大量地以高再现性和纯度来合成它们。此外，考虑到用于选择性地结合到特殊目标的适体特殊序列，它可以进一步被官能团修饰，例如荧光团，纳米颗粒，或酶以提高所制造生物传感器的选择性和灵敏度，同时保留适体的亲和力。最后，与抗体不同，适体非常稳定，使用后可以恢复其活性构象。
　　 根据目标生物标志物，在电化学适体传感器的制造中使用了各种设计策略。专家提出了四种可能的设计策略，包括目标诱导的结构切换模式；三明治或类似三明治的模式；目标诱导的解离或位移模式；竞争性替换模式。通过使用标记的适体和无标记的适体，已经使用两种主要方法来设计用于检测生物标记的电化学适体传感器。另一方面，根据制造电化学适体传感器所用测定的形式，所设计的适体传感器可以是信号接通或信号断开，分别由于与适体-靶相互作用有关的电化学反应的增加或减少。
　　 基于目标诱导结构切换模式的适应传感器
　　 在这种模式下，适体-靶相互作用与适体中的相应构象转换相关联以实现特定的模式，并随后导致可检测特征的改变。专家开发了基于AuNPs-MoS 2纳米复合材料的基于MoS 2的电化学适体传感器，用于同时检测凝血酶和三磷酸腺苷。因此，将两种不同的标记适体同时固定在AuNPs-MoS 2膜修饰的电极上。因此，由于适体中的结构转换，相应靶分子的添加会改变附着在适体上的亚甲基蓝和二茂铁氧化还原标签与电极表面的距离。因此，在检测系统中开发了双重信号检测策略，以同时检测凝血酶和ATP。
　　 基于三明治或类似三明治模式的自适应传感器
　　 在三明治状模式中，存在具有双重结合位点的蛋白质靶标，例如凝血酶。这些蛋白质具有结合两个识别分子如适体和抗体的能力。因此，夹心模式的适体传感器具有三种基本形式：适体-蛋白质-适体，适体-蛋白质-抗体和抗体-蛋白质-适体。前两种格式已被广泛用于基于适体的生物传感器的设计中。其他专家提供了一种具有双重信号放大策略的三明治型电化学适体传感器，用于测定血清中的MUC 1。聚-Au纳米颗粒的杂化膜作为载体层，已与AuNPs功能化的二氧化硅/多壁碳纳米管核-壳纳米复合材料作为跟踪标记。主适体组件固定在PoPD–AuNPs膜的表面。然后，MWCNTs膜提供了更大的表面积，用于固定作为电化学探针的次级Apt和亚硫氨酸。在存在MUC 1的情况下，三明治型识别反应发生在Thi-AuNPs / SiO 2 @MWCNTs纳米探针与PoPD–AuNPs修饰电极的表面之间的适体传感器表面上，从而形成生物复合物。在AuNPs和MWCNTs的存在下，电子从Thi到电极的转移变得容易，这导致放大的检测响应。
　　 基于目标诱导的解离或位移模式的适应传感器
　　 该策略基于无标记适体与其特定靶标的强亲和力。因此，无标记的适体和标记的适体互补序列被固定在电极的表面。与靶标孵育后，由于靶标-适体的特异性结合，发生了适体互补序列的解离，这导致了适体-靶标复合物与溶液的释放，从而改变了可检测的信号。一些研究人员制造了一种基于靶标诱导的位移检测凝血酶的电化学适体传感器。首先将含硫醇基的ssDNA和凝血酶的特异性适体固定在Au电极上。用CdS纳米颗粒标记的ssDNA用作检测探针。当一起反应时，上述两个DNA产生dsDNA。在靶蛋白存在下，dsDNA中的适体优选形成G-四链体结构。因此，dsDNA序列释放一条单链并返回到ssDNA，其因此与DP-CdS杂交。从生物传感器表面溶解沉积的CdS颗粒后，电化学测定代表目标蛋白浓度的Cd 2+离子。
　　 基于竞争性替代模式的Aptasensors
　　 竞争性替代适体传感器的测定基于溶液中靶标对固定适体的替代。目标分子需要与信号修饰成分一起设计和合成。专业人员已经开发了一种基于竞争性替代模式的超灵敏电化学适体传感器，用于同时检测凝血酶和溶菌酶。凝血酶和溶菌酶的特定适体同时固定在Au电极的表面。然后，将CdS标记的凝血酶和PdS标记的溶菌酶添加到溶液中，以形成特定的蛋白质-适体复合物。通过添加靶标，标记的蛋白质被靶标替代。最后，释放出的Cd 2+和Pb 2+离子采用电化学方法测定。总结了几乎所有与电化学适体传感器有关的研究的结果，这些电化学适体传感器可用于确定各种肺癌生物标记物。