综述：用于生物标志物检测的信号放大电化学发光传感器的最新进展

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Recent advances in signal-amplified electrochemiluminescence sensors for biomarker detection

电化学发光（ECL）生物传感器通过电化学激发产生光信号，具有高灵敏度、低背景和精准时空控制优势，适用于癌症、心血管等疾病中低浓度生物标志物的检测。文章系统分类了纳米材料辅助、酶催化、核酸扩增及自激放大策略，并分析其在疾病标志物检测中的应用及局限性，为临床转化提供参考。

　　

乔文轩|郑向军|尹叶琪|范春海|欧阳向远

中国西北大学化学与材料科学学院，教育部合成与天然功能分子重点实验室，西安功能超分子结构与材料重点实验室，陕西西安710127

摘要

电化学发光（ECL）生物传感器能够将电化学产生的激发态转化为光学信号，在超灵敏检测疾病相关生物标志物方面引起了广泛关注。与传统免疫测定法以及化学发光或荧光方法相比，ECL具有较低的背景信号、较宽的动态范围，并且可以通过电位调节精确控制光发射的时间和空间分布，因此特别适用于癌症、心血管疾病、脑血管疾病、神经退行性疾病和传染病的即时检测，在这些疾病中，生物标志物通常存在于复杂的生物基质中且浓度极低。然而，进一步提高分析灵敏度和检测可靠性仍然是一个关键挑战，这推动了多种信号放大策略的快速发展。这些方法包括纳米材料辅助的信号增强、酶和纳米酶催化的共反应物生成或消耗、基于核酸的放大方案，以及通过合理设计共反应物和共反应物加速剂实现的内在放大。本文系统地分类了这些放大策略，并重点介绍了它们在主要疾病类别中的应用。最后，讨论了当前的限制和未来发展方向，以促进信号放大ECL生物传感器在早期诊断和精准医疗中的临床应用。

引言

生物传感器可以广泛定义为将生物识别事件与物理化学信号转导过程相结合的分析系统，从而实现定量检测[1]、[2]。通过将选择性生物识别元件（如核酸[3]、酶[4]、抗体[5]或蛋白质）与电化学[6]、光学或混合读出模式集成，生物传感器为分析应用提供了多功能框架[7]、[8]、[9]、[10]。近年来，恶性肿瘤、心血管疾病、脑血管疾病、神经退行性疾病和传染病的发病率不断增加，对能够敏感可靠地检测生物标志物的分析工具的需求也随之增加[11]、[12]、[13]。与疾病相关的生物标志物反映了分子层面的病理变化，因此对于早期诊断、治疗监测和预后评估至关重要，构成了现代精准医学的基础[14]。

尽管已经广泛使用了包括免疫浊度测定、酶联免疫吸附测定、化学发光免疫测定和基于荧光的免疫测定在内的成熟分析技术，但这些方法往往涉及多步骤程序、较长的分析时间，并且依赖于大型仪器。这些特点限制了它们在分散式分析、快速检测以及需要实时或原位测量的场景中的应用。因此，人们投入了大量研究努力来开发结合选择性生物分子识别、高灵敏度、操作简便性和与复杂样品基质兼容性的分析策略[15]。

电化学发光（ECL）是一种独特的电分析现象，其中电极界面处的电化学反应与光发射相结合。基于ECL的生物传感器利用这一过程，在精确控制的电化学条件下将界面氧化还原反应转化为光学信号[16]。在典型的ECL系统中，如Ru(bpy)₃²⁺复合物、半导体量子点、碳基纳米材料[17]和发光金属-有机框架（MOFs）在适当的共反应物存在下发生电化学氧化和/或还原，生成活性自由基中间体[18]、[19]、[20]、[21]。随后的电子转移和复合过程产生激发态，这些激发态在松弛时发射光子，从而提供与分析物浓度相关的光学信号[22]、[23]。

从电分析的角度来看，ECL相比传统的化学发光系统具有几个内在优势。由于激发过程受施加电位的控制，光发射的起始、强度和空间定位可以准确调节，从而减少了背景干扰并提高了信噪比。此外，电化学控制允许选择性地访问特定的氧化还原途径和激发态，这对于机制研究和分析优化特别有利。在适当的条件下，某些ECL发光体还可以通过电化学再生，允许重复激发循环，从而提高分析稳定性和成本效率[24]、[25]、[26]。

ECL的基本原理最早在20世纪60年代由Hercules、Bard及其同事通过开创性研究系统地探讨，建立了电化学诱导发光的机制框架[27]、[28]。20世纪70年代的后续研究阐明了Ru(bpy)₃²⁺的ECL行为，并将其确立为机制研究和分析研究的模型发光体[29]。20世纪90年代初，ECL系统成功集成到免疫测定和核酸检测中，进一步证明了其在电化学控制下的生物分析适用性[30]。

在过去几十年中，基于ECL的传感策略已被广泛开发用于检测多种生物分子目标，包括蛋白质、肿瘤相关抗原和短核酸序列[31]、[32]、[33]、[34]。这些研究表明，ECL平台可以实现高灵敏度、良好的重复性和对复杂样品基质的强耐受性。同时，基于ECL的分析系统（如罗氏诊断公司等）的成功商业化进一步证实了这种电分析技术的稳健性和实际应用价值[35]。

然而，从电分析的角度来看，基于ECL的生物传感器仍面临一些挑战。需要进一步提高对超低丰度分析物的检测限、扩展线性动态范围，并增强对界面电子转移过程的控制。此外，提高不同平台和实验条件下ECL测量的可比性和可追溯性也是一个重要的问题，值得系统研究。

为了解决这些瓶颈，研究人员开发了各种信号放大策略，这些策略不仅显著提高了ECL传感器的灵敏度，还在许多情况下增强了其抗干扰能力和分析稳健性。近年来，随着功能纳米材料的快速发展，特别是金属纳米簇[36]、[37]、石墨碳氮化物（g-C?N?）和MOFs[38]的应用，将这些纳米材料集成到ECL界面已成为提高信号强度和稳定性的有效方法[39]、[40]、[41]。纳米材料的微观结构特征（如缺陷状态、形态、尺寸和组分的空间分布）可以显著影响ECL效率[42]、[43]、[44]。此外，利用酶的高催化活性来放大ECL信号是另一种经典策略。酶可以在温和条件下高效生成或消耗与ECL相关的物种，将单一目标识别事件转化为多个催化循环，显著放大光信号[45]、[46]。核酸，特别是DNA，具有高度可编程的碱基配对特性，可用于设计各种等温放大方法，如杂交链反应（HCR）、滚环扩增（RCA）和DNA行走。这些方法生成大量携带信号的产品，显著提高了检测灵敏度[47]、[48]。从ECL反应途径和动力学的角度来看，合理选择和优化共反应物及其加速剂是另一种提高光子产率和增强ECL输出的有效方法。总之，这些进展推动了下一代ECL生物传感平台中多种信号放大机制的整合[49]、[50]。通过以协同方式结合这些机制，这些平台可以实现增强的ECL响应，为检测超低丰度生物标志物提供新的解决方案。在明确了ECL传感器的概念、优势和历史发展之后，本文重点讨论了信号放大这一核心主题。首先，我们总结了ECL生物传感中使用的主要信号放大策略，并按疾病类别组织讨论，重点介绍了这些策略在癌症、心血管疾病、神经退行性疾病和传染病相关生物标志物检测中的应用。我们的目标是提供有用的参考，以设计结合高灵敏度、高特异性和实际应用性的ECL平台，并促进信号放大ECL生物传感技术在疾病生物标志物检测方面的进一步发展和临床应用。

部分摘录

信号放大策略

在检测超低丰度生物标志物时，由于目标分子数量有限，加上复杂基质中不可避免的非特异性吸附和电化学背景信号，信号放大对于实现ECL传感器的高灵敏度是不可或缺的[51]、[52]、[53]。ECL信号放大的本质不仅仅是增加光强度，而是依赖于几个关键因素的协调优化：（1）发光体的数量

信号放大策略在生物标志物检测中的应用

结合信号放大策略的ECL传感技术不断推动了检测极限的突破[104]、[105]，实现了对多种临床相关生物标志物的精确捕获和超灵敏定量[106]、[107]、[108]、[109]。这些进展为早期诊断和疾病监测提供了强有力的技术支持。由于疾病生物标志物具有多样的来源、生理功能和分子形式，它们包括蛋白质、核酸等

用于生物标志物检测的ECL信号放大策略比较

四种主要的信号放大策略在分析性能和实际应用性方面存在不同的权衡，如表1所示。基于纳米材料的放大主要依赖于功能材料的构建、界面工程和促进信号传递的纳米结构，通常与材料制备、表面功能化和界面组装相关。酶催化的放大特点是通过对ECL相关物种的催化调节

结论与展望

本文重点介绍了用于疾病生物标志物检测的ECL生物传感器，围绕四种主要的信号放大策略进行组织：（i）基于纳米材料的放大，（ii）酶催化的放大，（iii）基于核酸的放大，以及（iv）内在ECL反应放大。这些方法已成功应用于蛋白质（例如CK19、cTnI、Aβ）、核酸（miRNA-499、病毒基因组）、细胞外囊泡和神经递质等生物标志物类别

CRediT作者贡献声明

乔文轩：撰写——原始草稿、软件开发、实验研究、概念构思。郑向军：撰写——原始草稿、实验研究。尹叶琪：撰写——原始草稿、数据可视化。范春海：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。欧阳向远：撰写——审稿与编辑、验证、监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFA0915200）、国家自然科学基金（22422410、22374118）以及湖南大学化学/生物传感与化学计量国家重点实验室开放基金（202162400016）的支持。