1. 引言
生物电子传感的核心是生物受体与目标分析物之间的特异性生化相互作用，该作用被转化为可量化的电信号。这一技术已成为健康监测领域日益重要的工具，因为它能够连续、实时地跟踪反映个体健康和体能状况的生理生化标志物。与依赖昂贵仪器、专业人员且样品前处理繁琐的传统技术（如色谱、质谱）相比，即时检验（POCT）和可穿戴设备实现了诊断的去中心化和连续、无创监测，可从汗液、唾液和间质液等生物流体中获取动态信息。
然而，传统生物传感器在向可穿戴设备过渡时面临挑战，如不良的共形接触会降低信号可靠性，痕量分析物的检测则受限于低灵敏度和差选择性。纳米结构电化学平台通过利用纳米材料独特的物理化学性质来解决这些局限性。它们的高比表面积、可调电子特性和增强的电催化活性扩大了电活性面积，加速了电荷转移动力学，并减轻了污染效应，从而实现了痕量生物标志物检测所需的灵敏度和选择性。此外，先进的纳米材料具备柔韧性、超轻重量和生物相容性等理想的机械特性，使其能够与人体无缝集成，实现连续监测。
2. 用于电化学传感的纳米结构材料
纳米技术的进步彻底改变了生物传感器应用的分析科学，特别是在实时代谢监测和可穿戴电化学传感器领域。纳米结构材料，如碳同素异形体、贵金属纳米颗粒、半导体量子点和杂化复合材料，可作为增强分析信号和提高传感设备效能的强大平台。电化学生物传感器本质上将酶-底物反应、抗体-抗原结合或核酸杂交等生物识别事件转化为可测量的电信号（电流、电位或电阻/阻抗）。纳米材料在此过程中扮演核心角色，充当生物识别元件和电子换能器之间的界面。通过纳米尺度的电极表面工程，纳米材料能稳定生物分子并加速电子转移动力学，从而放大产生的信号。
2.1. 碳基材料
碳同素异形体，如石墨烯和碳纳米管（CNTs），因其卓越的电学、机械和结构特性而备受关注。石墨烯具有高导电性、大比表面积和可调的表面化学性质，是检测代谢物和生物标志物的优异电极材料。将石墨烯纳入电极表面或酶-石墨烯复合材料中，可增强电子转移，降低对葡萄糖和乳酸等分析物的检测限。碳纳米管的电化学活性受边缘平面缺陷密度强烈影响，这增强了异相电子转移速率。在承受机械变形的可穿戴结构中，更高的缺陷密度可以通过维持导电渗透通路来提高信号稳定性，从而增加运动诱导扰动下的信噪比。功能化衍生物如氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）提供了稳定的酶固定化平台，实现了对临床样品中葡萄糖的高灵敏检测。石墨烯量子点（GQDs）具有强表面效应、易于功能化和固有的催化活性，被广泛用作电化学分析中的信号放大器。同样，碳纳米管因其优异的拉伸强度、高比表面积、大长径比和出色的导电性，成为生物电子应用中有价值的支架。表面功能化扩展了其生物医学应用，而其加速电荷转移的能力显著增强了便携式生物传感器的灵敏度和特异性。多壁碳纳米管（MWCNTs）凭借其层状结构，已应用于疾病标志物的体内检测。
2.2. 金属和金属氧化物纳米颗粒
贵金属纳米颗粒和金属氧化物主要通过催化和信号放大机制发挥作用。贵金属如铂（Pt）、钯（Pd）、金（Au）、银（Ag）、钌（Ru）和铑（Rh）及其双金属复合材料，为气体化学吸附和生物分子识别提供了高活性催化表面。金纳米颗粒（AuNPs）因其稳定性、可调的尺寸和形状以及多功能的表面化学而尤其受青睐。它们的高表面自由能促进了生物分子的吸附和功能化，实现了蛋白质、核酸和抗体的高效固定化。例如，AuNP修饰的电极已被用于固定适体，以快速检测表皮生长因子受体2，在几分钟内产生可测量的响应。AuNPs还有助于核酸和蛋白质结合，增强了对临床相关靶标生物传感器的灵敏度。除了金之外，铜基纳米颗粒表现出强大的抗菌和抗癌活性。例如，氧化铜（CuO）纳米颗粒已被证明可以通过产生活性氧（ROS）、破坏线粒体和诱导细胞凋亡来降低乳腺癌细胞活力，突显了其在诊断和治疗应用中的潜力。
2.3. MXenes
另一类新兴材料MXenes，因其成分多样性、高导电性和机械柔韧性而受到关注。基于MXene的生物传感器在伤口愈合、抗菌保护和电磁屏蔽方面展现出应用，而MXene-普鲁士蓝复合材料已被开发成柔性、可穿戴设备，用于灵敏检测汗液中的葡萄糖和乳酸。它们与织物、纸张和水凝胶的兼容性允许集成到可承受重复机械变形而不影响性能的顺应性基底中，支持长期、连续的健康监测。尽管有这些优势，MXenes在水性环境中的氧化和不稳定性相关挑战，可能会损害导电性和传感器寿命。为了提高MXenes的可穿戴性和稳定性，常采用轻质、柔韧且易于加工的聚合物（如聚氨酯（PU）、热塑性聚氨酯（TPU）和聚二甲基硅氧烷（PDMS））作为支撑材料，保护MXenes免受环境劣化，从而提高可穿戴传感系统的整体效能和寿命。MXenes的质量显著影响其机械和电学特性。结构缺陷较少的MXenes具有更优的特性。因此，需要对前体材料和合成途径进行细致评估。
2.4. 杂化纳米结构
超越单一组分纳米材料，杂化和复合纳米结构整合了多种成分的优势以克服个体局限性。例如，金属有机框架（MOFs）是由金属节点和有机连接体组成的结晶、多孔组装体，具有超高比表面积和可调孔隙率。诸如ZIF-8之类的MOFs已被用于可穿戴传感器，监测汗液中的葡萄糖和乳酸，达到临床相关的检测限。ZIF-8衍生物还能检测挥发性生物标志物（如与肺癌相关的异戊烷）和用于帕金森病管理的小分子药物（如左旋多巴）。铜基MOFs进一步扩展了这一潜力，在可穿戴生物传感中展现出前景。纳米结构材料通过提供导电性、催化活性、生物相容性和结构多功能性，构成了电化学传感平台的基础。碳同素异形体充当导电框架，贵金属和氧化物提供催化放大，而MOFs和MXenes等杂化材料则引入了多功能性。
2.5. 纳米材料的生物安全考量与长期生物相容性
虽然纳米材料显著增强了电化学性能，但其生物安全性仍是临床转化的关键决定因素。纳米材料的毒性特征取决于尺寸、表面化学、电荷和降解行为。超小纳米颗粒（<5-8 nm）可能经历肾脏清除，而较大颗粒倾向于在网状内皮系统（特别是肝脏和脾脏）中积累。金属基纳米材料（如金纳米颗粒和金属氧化物）的长期滞留可能诱导氧化应激或炎症反应。碳基纳米材料通常表现出更好的生物相容性；然而，合成过程中的掺杂和残留催化剂可能影响细胞毒性。MXenes和过渡金属二硫属化合物在生理条件下可能发生氧化，产生其长期生物效应有待进一步研究的降解产物。对于涉及长时间皮肤接触的可穿戴系统，必须根据ISO 10993标准评估刺激、致敏和经皮渗透。使用生物相容性聚合物（如PDMS、PU和水凝胶）的封装策略可以减轻直接暴露风险。然而，评估慢性毒性、生物分布和代谢清除的全面体内研究仍然有限，这是一个关键的转化缺口。
3. 纳米结构在便携式实时设备中的集成
3.1. 丝网印刷电极（SPEs）
丝网印刷电极已成为生物医学诊断的核心技术。其微型化形式在分析小样本量方面具有明显优势，而其一次性使用的特性消除了繁琐的清洗和电极再生步骤。此外，可扩展的丝网印刷工艺允许低成本大规模生产，使得丝网印刷电极对即时检验和便携式健康监测具有吸引力。丝网印刷电极设计的一个主要进步在于使用纳米材料（如金纳米颗粒、碳纳米结构和杂化复合材料）进行生物分子固定化和信号放大。例如，金纳米颗粒通过巯基、氨基或羧基为抗体、适体或酶的共价或静电附着提供了生物相容性平台。在用于检测CA 15-3的乳腺癌免疫传感器中，金纳米颗粒修饰的丝网印刷电极实现了抗体的快速固定化，同时保持了其生物活性，并使用牛血清白蛋白（BSA）作为封闭剂以防止非特异性吸附。超越单金属纳米颗粒，杂化纳米复合材料显著提高了传感器性能。例如，MXene-普鲁士蓝修饰的丝网印刷电极通过结合MXene的高导电性和普鲁士蓝的催化氧化还原活性，促进了汗液中葡萄糖和乳酸的灵敏检测。类似地，印刷在柔性丝网印刷电极基底上的MOF基纳米结构表现出高的酶封装效率，实现了可穿戴形式下的乳酸和葡萄糖监测。这些纳米界面的协同效应不仅稳定了生物分子，还增强了电子转移动力学，从而扩展了检测的动态范围。
3.2. 纸基微流控器件
纸基微流控器件越来越多地被用作皮肤接触式可穿戴生物传感平台，因为它们将超低的材料成本与毛细管驱动的流体处理、试剂储存以及与柔性电子器件的轻松集成相结合。其多孔纤维素网络提供了高比表面积、自发芯吸和无需外置泵的被动流动控制，而蜡/墨水图案化形成的疏水屏障可将汗液引导至反应和读数区。纸通道还可以排列为连续腔室（无通气孔），以减轻蒸发偏差，并在长时间佩戴期间实现带时间戳的、按到达顺序的分析。并行地，线/纸混合体提供了在衣物或头带下的共形采样，并自然地与柔性电极耦合。固定在纸测试区的葡萄糖氧化酶（GOx）催化葡萄糖生成葡萄糖酸内酯和H2O2，而H2O2在普鲁士蓝介体或金属纳米颗粒修饰的碳电极上被还原，产生与葡萄糖成比例的安培电流。纤维素纤维中预加载的缓冲液和稳定剂调节局部pH/离子强度，并延长酶 shelf life。酶-纳米材料杂化物（如Au/MWCNT、rGO与Au/Pt）降低了电荷转移电阻，增加了电活性面积，并降低了汗液级葡萄糖的检测限。蜡印刷、喷墨沉积和丝网印刷允许在纸、聚酯或Kapton背衬上卷对卷图案化疏水边界、电极和线圈，用于一次性贴片。纸可以直接层压到丝网印刷的碳/普鲁士蓝电极上，形成一个由汗液芯吸供电的电化学电池，并带有用于单次校准或多分析物检测组的板上试剂垫。
3.3. 基于智能手机的传感器
智能手机正日益通过利用其内置硬件、计算能力和无线连接，转变为紧凑、多功能的生物传感分析仪。其便携性、广泛普及以及承载即插即用传感器模块的能力，使其成为开发实时、用户友好诊断平台的基石。通过将电化学信号与智能手机集成，生物传感器可以实时从复杂的生物流体中获取、处理和传输临床相关信息。例如，丝网印刷测试条与智能手机摄像头或辅助适配器耦合，可实现安培读数，这些读数通过专用应用程序或云连接平台进行数字化和处理。低成本一次性传感器与功能强大的手持分析仪的结合，加速了即时检验诊断。尽管有这些优势，一些限制影响了基于智能手机的生物传感器的临床可靠性。与专业实验室仪器相比，其灵敏度和准确性仍然较差，特别是在检测痕量浓度的生物标志物时。克服这些挑战的努力包括将微流控技术与智能手机读数集成以调节样品处理、嵌入纳米材料以增强信噪比，以及采用先进的机器学习算法来标准化环境干扰。基于智能手机的传感平台在即时检验尿酸、葡萄糖和病原体检测方面的成功，显示出其在解决灵敏度、设备标准化和环境稳定性方面的挑战后，提供个性化、互联健康监测的潜力。
4. 健康监测应用
可穿戴生物传感器可以在早期阶段识别多种疾病。评估汗液或唾液的生物传感器可以识别指示感染、激素失衡或代谢问题的生物标志物。活性氧（ROS）被认为是氧化应激的标志物，与严重疾病的发病有关，包括糖尿病、癌症、肿瘤、各种神经系统疾病和心血管疾病。ROS不仅是氧化应激的生物化学标志物，也是疾病发生、严重程度和进展的定量指标。在正常生理条件下，细胞内过氧化氢（H2O2）水平被严格调节在1-100 nM范围内。然而，在病理性氧化应激期间，H2O2浓度可显著升高，在发炎组织中达到1-10 μM，在肿瘤微环境中甚至更高。在癌症生物学中，由于线粒体功能障碍、致癌基因激活和代谢重编程，ROS水平通常升高。肿瘤细胞通常将H2O2浓度维持在微摩尔范围（1-20 μM），这促进了增殖、血管生成和转移。在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）中，ROS积累导致脂质过氧化和神经元凋亡。心血管疾病患者的血浆中超氧化物和H2O2水平升高。同样，在糖尿病中，持续的高血糖诱导ROS过量产生，血浆氧化标志物与HbA1c水平和疾病持续时间相关。
除了识别癌症代谢物，电化学生物传感器还可以检测其他小分子代谢物化合物，特别是以可穿戴传感器的形式。最近的研究构建了一种利用镓（Ga）、MXene和壳聚糖水凝胶的可穿戴生物传感器。Ga和MXene之间的协同作用导致了具有优异导电性和可变形性的多孔结构的发展。壳聚糖水凝胶由于其卓越的吸水性和弹性，使电极能够吸收汗液并紧密贴合皮肤。剧烈体力活动期间汗液中产生的另一种代谢副产物是乳酸。运动效果可以通过汗液分析来评估，无需侵入性血液采集方法。此外，汗液中的乳酸浓度是组织活力的敏感指标，并可预警应激性缺血。最近的一种传感器采用复合导电水凝胶介质，在检测人体汗液中的乳酸方面表现出有效性。汗液中的乙醇浓度与血液中的乙醇浓度直接相关。这有助于通过评估汗液酒精浓度来连续无创监测血液酒精水平。最近，用于检测生物流体（特别是酒精）中生物标志物的纺织品基电化学传感器，是实时健康监测研究的重要焦点。由于过高的尿酸（UA）水平与多种疾病相关，包括痛风、肾脏问题、肾结石、高血压、心血管疾病和代谢综合征，监测尿酸水平很重要。最近的一项研究采用了一种创新的自我检测方法检测尿酸。基于尿酸酶电极和汗液芯吸水凝胶，它是一种无创、触摸激活的指尖汗液尿酸电化学生物传感器。该设备覆盖了正常和过高的UA汗液水平，具有宽的UA浓度线性范围、高选择性、可重复性和良好的储存稳定性。Na+、K+和pH是汗液中的重要生物标志物，反映了它们在身体代谢过程中的重要作用。因此，评估它们在汗液中的浓度是不同生理状态的有价值指标。此外，Na+和K+是汗液中的主要电解质，提供了有关身心健康的重要信息。
5. 生物标志物监测的临床解释与转化意义
纳米结构基电化学和电化学发光生物传感器已表现出高灵敏度和选择性；然而，其临床价值最终取决于测量的生物标志物水平如何为医疗决策提供信息，以及这些平台是否经过严格的人体验证。除了报告检测限和线性范围外，必须在疾病进展、治疗干预、患者管理和监管可行性的背景下解释生物标志物的波动。动态乳酸监测是一个具有转化适用性的代表性例子。乳酸浓度反映了有氧和无氧代谢之间的平衡，是组织缺氧和代谢应激的指标。在运动医学中，连续乳酸监测通过识别无氧阈值来优化训练强度，从而防止过度训练和代谢超负荷。在重症监护环境（如脓毒症或休克）中，持续升高的乳酸水平与灌注不良和死亡风险增加相关，而干预后的乳酸清除被认为是良好的预后指标。尽管如此，尽管原型可穿戴乳酸传感器在初步人体研究中已证明可行性，但大规模临床验证和标准化校准方案仍然有限。
肿瘤标志物检测进一步说明了电化学传感平台的临床意义。癌胚抗原（CEA）、前列腺特异性抗原（PSA）和甲胎蛋白（AFP）等生物标志物在肿瘤学中广泛用于筛查、复发监测和治疗反应评估。活性氧（ROS）监测因其与氧化应激相关病理（包括癌症、心血管疾病和神经退行性疾病）的关联而受到越来越多的关注。实时ROS检测可能提供对炎症严重程度和治疗效果的深入了解。然而，体内ROS定量在技术上仍具有挑战性，大多数报道的平台仍处于临床前或概念验证阶段。从监管和临床实施的角度来看，只有有限数量的可穿戴电化学传感器获得了监管批准。连续血糖监测系统代表了电
