综述：用于电化学生物传感器的介孔材料：从宏观结构到二氧化硅薄膜

时间：2026年1月22日

来源：Small

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本综述系统阐述了介孔材料在电化学生物传感器领域的前沿进展。文章重点探讨了介孔二氧化硅、碳、金属、金属氧化物、金属有机框架（MOF）和共价有机框架（COF）等多种支架材料的设计策略、合成技术及其在生物传感系统中的应用。特别强调了介孔二氧化硅薄膜（MSF）在微型化、可穿戴及床旁检测（POC）设备中的巨大潜力，及其通过抗生物污染、功能化（如抗体/适配体修饰）和门控效应实现高灵敏度、高选择性检测的独特优势。同时，综述也指出了当前在导电性、选择性和稳定性方面面临的挑战，并展望了下一代实时、无创、个性化诊断工具的发展路径。

引言

诊断在疾病识别和治疗指导中扮演着关键角色。早期诊断对于疾病预防和治疗效果评估至关重要。随着对便携式和快速结果获取的需求日益增长，生物传感器有望满足诊断行业的诸多未满足需求。其中，基于三维纳米材料的生物传感器，特别是介孔材料，因其可调节的孔结构、大比表面积和 versatile 的表面性质，在近年来引起了广泛关注。

电化学生物传感器基础

电化学生物传感器是一种将特定反应或分子识别事件产生的化学信号转换为可量化电信号的分析工具。其核心组件包括工作电极（WE）、参比电极（RE）、对电极（CE）和电解质。根据信号转导机制，主要分为电位型、阻抗型、光电化学型、电化学发光型和最常用的伏安/安培型传感器。

介孔材料在传感器中通常不作为换能器本身，而是作为高性能修饰层来增强传感能力。根据其本征电学性质，可分为两类：绝缘材料（如介孔二氧化硅）和导电材料（如介孔碳、金属）。绝缘材料主要作为结构和钝化层，提供巨大的比表面积用于生物分子固定，并作为选择性屏障最小化干扰；而导电材料则作为电极的三维延伸，直接参与信号转导。

用于电化学生物传感器的介孔材料概述

介孔材料是指孔径在2-50 nm之间的多孔固体。其独特的尺寸范围在快速传质和高比表面积之间提供了有利的平衡。

介孔二氧化硅

介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）因其易于合成、低毒性、高化学稳定性、成本效益以及高度可控的介孔尺寸和形状而备受关注。其形态多样，包括分子筛（如MCM-41, MCM-48, MCM-50）、圣芭芭拉无定形二氧化硅（SBA）、空心介孔二氧化硅（HMSN）、周期性介孔有机二氧化硅（PMO）等。介孔二氧化硅薄膜（MSFs），特别是垂直有序介孔二氧化硅薄膜（VMSFs），因其有序的孔排列、一致的孔径（约2-3 nm）和易于功能化等特点，在生物传感中展现出巨大潜力。VMSFs能够增强纳米通道内的扩散，从而提高生物分子检测的灵敏度，并具有优异的抗生物污染能力。

其他介孔材料

1.
介孔碳：具有高电活性表面积和高效的电荷转移机制，其石墨类域结构有利于生物分子、蛋白质和酶的固定，无需连接体。在葡萄糖检测等方面表现出色。
2.
介孔金属及合金：如介孔金、介孔Au-Cu、Au-Ag、Au-CoFeB、PdPtCu等，具有高孔隙率、大比表面积和增强的电导率，在电催化、生物传感和生物成像中应用广泛。尤其适用于microRNA（miRNA）等核酸的超灵敏检测。
3.
介孔金属氧化物：如铁、钛氧化物等，因其受限的d电子、增强的反应表面活性位点和互连的孔结构而成为新兴材料。但其实际应用受限于固有的pH敏感性。
4.
介孔金属有机框架（MOF）和共价有机框架（COF）：MOFs（如MIL-101(Fe), MIL-101(Cr)）具有超高比表面积和可调孔结构，可用于封装酶/生物受体。COFs则是一类由共价键连接的结晶多孔聚合物，在传感领域有潜在应用，但其较差的固有电导率和电化学环境中的有限稳定性限制了其直接应用。

各类材料在灵敏度、选择性、导电性、稳定性等方面各有优劣，未来的临床生物传感可能依赖于混合架构，以耦合碳/金属的导电性和二氧化硅/MOFs的门控选择性。

介孔材料的制备——以垂直取向二氧化硅薄膜为例

介孔材料的合成方法主要包括模板辅助法、凝胶处理法、水热合成法和微波合成法。

•
模板辅助合成：使用表面活性剂、嵌段共聚物（软模板）或二氧化硅球等固体材料（硬模板）来引导特定的孔形态。
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凝胶处理合成：涉及从液体状态（溶胶）到固体相（凝胶）的转变。电化学辅助自组装（EASA）是一种快速有效的方法，可在导电基底上生产具有高度有序、六方排列纳米通道的VMSFs。
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水热与微波合成：水热合成在密封反应室中利用高温高压条件，可改善材料的规则性和水热稳定性。微波辅助加热则能显著加速热处理过程并确保样品均匀加热。这两种方法目前主要应用于介孔二氧化硅粉末或纳米颗粒的合成。

从制造角度看，传统合成方法与现代器件架构的兼容性是关键挑战。未来应转向如EASA这样的“薄膜基”技术，以实现介孔薄膜在温和条件下的直接、无粘结剂生长。

介孔二氧化硅薄膜在电化学生物传感器中的功能平台作用

介孔二氧化硅因其结构、化学和生物学特性，在电化学生物传感器中是一种非常理想的材料。

抗生物污染膜

VMSFs可作为智能、可调节的绝缘屏障，抑制蛋白质、细胞和其他生物分子的非特异性吸附，同时促进目标分析物的选择性扩散。其孔径（通常2-10 nm）可作为分子筛，允许小分子分析物（如葡萄糖、多巴胺、尿酸、过氧化氢）通过，而阻挡较大的污染物种（如牛血清白蛋白，~7 nm）。研究表明，修饰了VMSFs的电极在血清、全血、尿液等复杂生物样品中表现出优异的抗污染性能。

功能化靶向

介孔二氧化硅表面丰富的硅羟基（-SiOH）为化学修饰提供了反应平台。通过使用（3-氨丙基）三乙氧基硅烷（APTES）等有机硅烷进行硅烷化，可以形成二氧化硅骨架与适配体（Apt）、抗体（Ab）等功能生物分子之间的共价键。这使得介孔二氧化硅成为构建高选择性电化学生物传感器（如适配体传感器和免疫传感器）的通用支架。

基于门控效应的检测策略

VMSFs可作为纳米门，其均匀、高度有序的通道选择性调节电活性物种向电极表面的扩散。将纳米通道与适配体或抗体功能化后，这些生物受体可作为分子“门”，在目标分析物存在时特异性“打开”或“关闭”对电极表面的访问。例如，基于适配体的门控效应已用于检测心肌肌钙蛋白I（cTnI）、前列腺特异性抗原（PSA）等。此外，利用双极二氧化硅纳米通道阵列（bp-SNA）封装探针分子（如亚甲蓝（MB）、Ru(bpy)₃²⁺），并结合抗体/适配体的门控作用，已成功用于SARS-CoV-2抗体、癌胚抗原（CEA）、癌症抗原15-3（CA15-3）等的高灵敏度检测。

在床旁检测设备中的集成

随着对快速、实时、无创健康监测需求的增长，将介孔二氧化硅薄膜集成到床旁检测和可穿戴设备中变得越来越迫切。VMSFs的微型化、机械柔韧性、抗污染特性以及优异的化学和热稳定性，使其特别适用于柔性、微型化平台。近期研究已展示了将介孔二氧化硅涂层集成到微电极和可穿戴贴片上的可行性，实现了对人体汗液中葡萄糖、皮质醇等生物标志物的灵敏、选择性检测。