自Leland Clark Jr于1962年提出安培葡萄糖酶电极以来，生物传感器已被大范围的应用
自Leland Clark Jr于1962年提出安培葡萄糖酶电极以来，生物传感器已被大范围的应用于临床、工业、环境和农业分析。根据国际纯粹和应用化学联盟的定义，生物传感器是一种独立的、集成的分析装置，其中生物识别元件(生化受体，包括酶、抗体、抗原、肽、DNA、适配子或活细胞)与转导元件(如电化学、光学和机械传感器)直接空间接触。最初开发生物传感器是为了对生物分子靶点进行即时(point-of-care, POC)检测，希望将临床分析从专业实验室扩展到公共场所，包括医院、非医院护理机构或家庭。虽然已经开发出多种生物传感器用于敏感和选择性地检测一系列疾病相关分子，但由于难以将生物传感器集成和小型化到便携式设备中，生物传感器的临床转化仍然有限。
基于此，南京大学鞠熀先教授概述了要解决的关键工程挑战，以提高传感精度，实现多路复用和一步处理，并将电化学生物传感设备集成到数字医疗保健路径中。相关工作以“Device integration of electrochemical biosensors”发表在《 Nature reviews bioengineering》。
安培和伏安型生物传感器使用三电极系统操作，该系统包含一个作为工作电极(WE)的生物传感器，用于识别目标，一个作为电流源的反电极，以及一个施加稳定电位的参考电极。电流信号由WE上的电化学反应产生，用于目标定量。这两种技术的不同之处在于它们的应用电位，对于安培测量是恒定的，而对于伏安检测是可变的。根据电位变化模式，后者可采用循环伏安法、差分脉冲伏安法、方波伏安法和阳极剥离伏安法等多种技术进行。安培生物传感器是检测代谢产物(如葡萄糖、乳酸和尿酸)最常用的传感器。在安培生物传感器中，目标特异性酶(例如，葡萄糖氧化酶(GOx)，乳酸氧化酶或尿酸酶)被固定在WE上，以恒定电位催化目标的氧化;例如，葡萄糖仪通常使用安培生物传感器构建，使用GOx催化葡萄糖通过氧化还原介质(例如铁氰化物、二茂铁衍生物和过渡金属络合物)氧化(图1b);或者，安培葡萄糖传感器能依靠葡萄糖与天然氧的酶促氧化，使用普鲁士蓝等介质产生和检测过氧化氢。安培型生物传感器制作简单，对目标检测具有较高的灵敏度和选择性，适合于可穿戴应用。由于非血液液体中的代谢物浓度低于血液中的浓度(如汗液葡萄糖浓度(10 ~ 200 μM)和泪液葡萄糖浓度(0 ~ 2 mM)分别比血糖浓度(1 ~ 20 mM)低100倍和10倍)，因此能在生物传感界面中添加金属纳米粒子、碳纳米管和石墨烯等纳米材料，以促进电子传递，来提升灵敏度，降低检测限25。例如，金铂双金属纳米催化剂与纳米多孔水凝胶结合后，可实现GOx固定和葡萄糖检测，灵敏度为180 μA cm -2 mmol -1，检测限为0.01 mg dl -1 (0.56 μM)，使这种生物传感器适合与智能隐形眼镜集成用于泪液葡萄糖测量。此外，具有酶学性质的纳米材料(即人工纳米酶)可用于安培型生物传感器，以避免天然酶的变性;例如，利用激光诱导的石墨烯阵列，与Cu 2o和Au纳米粒子共装饰，设计了一种小型化、电化学、柔性、非酶生物传感器，在来回弯曲25次时提供稳定的传感信号;其与基于智能手机的便携式血糖监测站的集成已被商业血液检测设备验证。
便携式电化学传感器已被初步开发用于监测糖尿病患者的血糖水平。个人血糖仪是一种便携式电化学生物传感器，为个人血糖控制提供快速定量的血糖水平。血糖仪通常是基于氧化还原酶的安培生物传感器，由一次性试纸和口袋大小的手持式电化学阅读器组成(图2a)。一次性试纸能够正常的使用塑料和导电浆料等低成本材料来大规模印刷和切割;例如，测试条上的薄膜电极能够最终靠丝网印刷技术生产，这可以以低成本大量生产。含有酶和电子介质的传感层被固定在WE上用于检测葡萄糖。一旦血液样本被引入由测试条上的间隔层形成的小室(电化学电池)，血糖就会被氧化还原介质氧化，而氧化还原介质是由GOx催化的(图2a)。然后还原介质在电极上被氧化，产生可测量的电流信号，通过手持式检测器将其转换为葡萄糖浓度。个人血糖仪是自1960年第一个葡萄糖酶电极概念被提出以来逐步的提升其准确性、可靠性、易用性和可负担性的工程进步的结果。
可穿戴传感器能与智能手表、手环和眼镜集成，用于心率、心电图和脑电图等生理监测。这种可穿戴生物传感器还允许对体液中的分析物进行无创和连续监测(图3a)，为诊断和健康管理提供了宝贵的数据。例如，考虑到不同生物体液中葡萄糖分泌的时间延迟，能够最终靠一项血液和非血液生物体液中葡萄糖浓度的相关性研究获得的相关系数，将非血液体液(如汗液和眼泪)中的葡萄糖浓度转换为相应的血液水平。与一些已经商业化的便携式电化学生物传感器相比，可穿戴电化学生物传感器还没有处于相同的发展阶段。
使用便携式电化学装置进行的指尖血检测通常高度准确，但需要频繁、有创的样本采集。可穿戴电化学生物传感具有非侵入性，但其分析准确性较低，这在诊断应用中尤其需要我们来关注。另外，植入式电化学生物传感器结合了有创手指点刺试验的高准确性和无创可穿戴分析的长期监测能力。植入式电化学生物传感器尤其被探索用于连续血糖监测和脑内生物标志物(如神经化学物质)的体内监测 (图4)。
电化学生物传感器是定量分析体液中生化分析物的有力工具，为基础研究和医疗应用提供动态生理过程的数字数据。将电化学生物传感器集成到便携式、可穿戴和可植入式设备中使分散的POC检测成为可能，这有可能彻底改变诊断和健康管理，特别是在低资源环境中。使用不相同衬底(包括塑料、柔性膜、纺织品和纸张)的一次性、柔性和多极电化学生物传感器的批量制造和集成能够最终靠打印(例如，屏幕，喷墨，卷对卷和转移印刷)和微加工(例如，光刻，蒸发，电子束蒸发和激光切割机);然而，要使集成电化学生物传感器在POC诊断中发挥真正的作用，还要解决工程挑战;例如，信号转导、调理(放大和滤波)、处理和无线传输等方面需要改进;所有功能控制器和模块应集成在一块电路板上;软电子和芯片组的封装需要优化;要实现设备的微型化、网络化和智能化。
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