电化学交流阻抗技术在医学检验中的研究应用.pdf
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1、Advances in Analytical Chemistry 分析化学进展分析化学进展,2023,13(2),171-180 Published Online May 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/aac https:/doi.org/10.12677/aac.2023.132021 文章引用文章引用:杭宇腾,李一隆,刘帅,陈冠烨,管小荣,刘扬.电化学交流阻抗技术在医学检验中的研究应用J.分析化学进展,2023,13(2):171-180.DOI:10.12677/aac.2023.132021 电化学交流阻抗技术在医学检验中的研究
2、应用电化学交流阻抗技术在医学检验中的研究应用 杭宇腾杭宇腾1,李一隆,李一隆1,刘,刘 帅帅1,陈冠烨,陈冠烨1,管小荣,管小荣2,刘,刘 扬扬1,2*1南通大学公共卫生学院,江苏 南通 2江苏奥威信息系统工程有限公司,江苏 南通 收稿日期:2023年4月18日;录用日期:2023年5月8日;发布日期:2023年5月19日 摘摘 要要 电化学阻抗谱电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,简称简称EIS)可以用于分析电极表面与生物识别可以用于分析电极表面与生物识别事件相关的界面特性,如抗原抗体反应、氧化还原反应、电子交换等。随着电极制造工艺和纳
3、米材料的事件相关的界面特性,如抗原抗体反应、氧化还原反应、电子交换等。随着电极制造工艺和纳米材料的发展,基于发展,基于EIS技术的电化学传感器广泛应用于生物检测。本文将从技术的电化学传感器广泛应用于生物检测。本文将从EIS技术的基本原理、工作电极的研技术的基本原理、工作电极的研究进展的角度入手,总结了究进展的角度入手,总结了EIS技术在心血管疾病、肿瘤标志物测定、细菌病毒感染和蛋白质检测等医学技术在心血管疾病、肿瘤标志物测定、细菌病毒感染和蛋白质检测等医学检测的最新进展,以及基于检测的最新进展,以及基于EIS技术的技术的生物传感生物传感器在商品化和快速检测方面的发展趋势器在商品化和快速检测方面
4、的发展趋势。关键词关键词 电化学阻抗谱,医学检验,生物传感器电化学阻抗谱,医学检验,生物传感器 The Application of Electrochemical Impedance Technique in Medical Detection:A Review Yuteng Hang1,Yilong Li1,Shuai Liu1,Guanye Chen1,Xiaorong Guan2,Yang Liu1,2*1School of Public Health,Nantong University,Nantong Jiangsu 2Jiangsu Aowei Information Syste
5、m Engineering Co.,Ltd.,Nantong Jiangsu Received:Apr.18th,2023;accepted:May 8th,2023;published:May 19th,2023 Abstract Electrochemical impedance spectroscopy(EIS)can be used to analyze the interfacial properties of electrode surfaces related to biological recognition events,such as antigen-antibody re
6、actions,*通讯作者。杭宇腾 等 DOI:10.12677/aac.2023.132021 172 分析化学进展 redox reactions,electron exchange,etc.With the development of electrode fabrication process and nanomaterials,electrochemical sensors based on EIS technology are widely used in bio-detec-tion.In this paper,we will summarize the latest progr
7、ess of EIS technology in medical testing such as cardiovascular diseases,tumor marker determination,bacterial and viral infections and pro-tein detection,as well as the development trend of EIS technology-based biosensors in commer-cialization and rapid detection from the perspective of the basic pr
8、inciples of EIS technology and the research progress of working electrodes.Keywords EIS,Medical Detection,Biosensor Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4
9、.0/1.简介简介 近年来,人们对健康的关注度越来越高。疾病诊断、健康监测已经从繁琐的检测方法趋向于简单、方便、精确的床旁检测(Point of care testing,POCT)。专业人员在应对疾病检测时,如癌症标志物、脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)、病原体以及蛋白质,通常依赖于传统的检测方法。常见的有聚合酶联反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)和酶联免疫反应(Enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)等。但是这些方法通常需较长的时间,昂贵的仪器设施和专业的检测人员。如在 2019 年底
10、爆发的新冠疫情中,虽然 PCR 是检测新冠病毒的金标准,但是基于 PCR 的检测时间较长(4 小时左右),从样本采集到最后得出检测结论需要许多步骤,同时也需要专业人员与设备的支持,这使得科技、经济不发达的国家和地区更难应付传染性疾病1。为了克服传统检测方法的局限性,研究人员开发了更多价格低廉,操作简单且同样具有高检测限的检测方法(表 1)。Table 1.Comparisons of experimental methods for common disease monitor 表表 1.常见疾病监测的实验方法比较 检测方法 实验原理 实验需要的 温度范围 优点 缺点 参考文献 PCR 基因靶
11、序列的大量扩增,通常要经过变性 95,60,70 特异性、灵敏度高,并且能够实时显示感染情况 较长时间,专业操作人员与设备 1 环介导等温扩增(LAMP)针对靶基因专门设计 6 种引物,在同一试管中 65恒温孵育扩增 65 灵敏度高、反应时间短、操作简单、无需精密仪器 对引物设计要求比较高、假阳性问题比较严重、对人员仪器依赖性高 2 规律间隔成簇短回文重复序列(CRISPR)引导 Cas 蛋白与蛋白质形成复合物,识别并裂解特定的匹配或互补序列 37 简化实验步骤、检测效率高、价格低廉 RNA 性质不稳定,酶对温度要求高且需要 专业的操作人员 3 4 电化学技术(Electrochemical
12、techniques)与新材料技术相结合,如伏安法、安培法、阻抗谱等 室温 成本低、使用便捷、检测时间短特异性杂交检测准确性高 选择性一般较差,实际应用通常需要一个便携式的检测装置 5 6 Open AccessOpen Access杭宇腾 等 DOI:10.12677/aac.2023.132021 173 分析化学进展 2.EIS 的原理及意义的原理及意义 相对其他检测技术来说,EIS 是一种非破坏性的技术,不论是否发生氧化还原反应都可以测量法拉第阻抗。EIS 技术通过给某个电化学系统施加不同微小振幅正弦电压(或电流),从而确定电化学过程的定量参数。通过施加信号与响应信号之间的频率、幅值或
13、者相位关系,推导出频率响应函数,从而定量判断某种参与物质的量6。EIS 可以用奈奎斯特(Nyquist)图(图 1(a),以丝网印刷碳电极为例)表示体系内阻抗的大小。对纯电阻,在 Nyquist 图上表现为 z 轴上的一点,该点到原点的距离为电阻值的大小;对纯电容体系,表现为与 Z轴重合的一条直线。对 warbug 阻抗则为斜率为 45的直线。x 轴代表阻抗的实部,用 z 表示,y 轴代表阻抗的虚部,用 z表示。高频范围内对应的半圆部分表示电子转移的控制过程,在低频范围内对应的直线部分代表受扩散控制过程。可以用如公式(1)来表示:zzjz=+(1)另一种常用的表示方法是波特(Bode)图,即
14、lgZ、相角对频率作图(图 1(b),图谱中同时表示了阻抗与频率、相移与频率的关系8。这种方法提供了一种描述电化学体系特征与频率相关行为的方式,是表示阻抗谱数据更清晰的方法,也可以推断电极过程的机理从而计算电极过程的动力学参数。Figure 1.Screen-printed carbon electrode data diagram and equivalent circuit model,respectively:Nyquist plot(a),Porter plot(b),Fitted Nyquist plot(c),Simple equivalent circuit model(d).I
15、n 5.0 mmol/LK3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6(1:1)with 1 mol/L KCl solution(Model:BioSYS-P15E,purchased from Shenzhen Refresh Biosensing Technology Co.,Ltd.,Instrument:Autolab 302N,purchased from Metrohm Co.,LTD.;Experimental parameters:Last applied Frequency:0.1 Hz;First applied Frequency:10,000 Hz;OCP:0.154 V;A
16、mplitude:0.01 VRMS)图图 1.丝网印刷碳电极数据图及等效电路模型,分别为:(a)奈奎斯特图(Nyquist plot),(b)波特图(Bode plot),(c)拟合的奈奎斯特图(Nyquist plot),(d)简易的等效电路模型。在5.0 mmol/L的 K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6(1:1)含0.1 mol/L KCl的阻抗溶液中(型号:BioSYS-P15E,购于深圳刷新生物传感科技有限公司;仪器:Autolab 302N,购于瑞士万通;实验参数:低频:0.1 Hz;高频:10,000 Hz;开路电位:0.154 V;振幅:0.01 VRMS)杭宇腾 等 D
17、OI:10.12677/aac.2023.132021 174 分析化学进展 EIS 技术分析中需要通过确定各电路元件值来拟合等效电路。一般电化学反应体系都可以拟合为由电阻、电容、电感、warburg 阻抗等构建的等效电路,因此被测体系的 EIS 可由不同的等效电路来描述(图1(d)。它包括双层电容(Cdl)和传质电阻(Rs)和阻抗(W)。每个电路元件都来自电化学电池中的一个物理过程,具有特征阻抗行为。溶液电阻由溶液的电导率和工作电极的截面积决定。双层电容表示电极与电解质之间的静电相互作用,取决于电极面积、性能、电解质离子强度和介电常数。Rct 和 W 构成法拉第阻抗,反映了电荷传递动力学,可
18、以认为是在没有传质限制的情况下,过电位与电流的比值7 8。3.EIS 电极应用材料的研究电极应用材料的研究 为满足快速疾病检测的需求,EIS 仪器的研究趋向于构造简单、操作简便、响应迅速、检测灵敏及造价低廉。相对于的大型生化分析仪器来说,这些传感器具有体积小、通量高、试剂消耗量低等优势,为床旁检测(POCT)提供了新的研究思路9。EIS 传感器的优秀性能主要取决于其应用的工作电极材料,高性能的工作电极不但可以提高电子转移速率还可以增加附着的生物分子的稳定性,尤其结合纳米材料的发展更加提升了传感器的灵敏度和选择性10。笔者就近几年报道较多的电极和纳米材料的进行了如下总结:3.1.EIS 传感工作
19、电极材料及研究进展传感工作电极材料及研究进展 3.1.1.金属电极金属电极 金属电极因为耐腐蚀、表面性质稳定以及容易修饰纳米材料等优点使得金属电极在电化学传感设备中最为常见11。金属电极应用广泛,比如在针对新型冠状病毒(SARS-CoV-2)蛋白的特异性抗体的检测中,Viktorija Liustrovaite 等人首先在金电极表面修饰了由 11-巯基十一酸和 6-巯基-1 己醇组成的混合自组装单分子层(SAMmix),然后将重组 SARS-CoV-2 刺突蛋白(SCoV2-rS)共价固定在电极表面,用 EIS 方法定量检测 SCoV2-rS 抗体。通过观察 Nyquist 图坐标表示的 EI
20、S 谱,阻抗值随着 SCoV2-rS 抗体的变化而变化,检出限(LOD)低至 2.53 nmol/L,该方法能够应用到 SARS-CoV-2 病毒的诊断12。此外,由于金电极有着高导电性、生物稳定性和高机械强度等优点,允许在其表面进行多次修饰,Anna Wciso 等研究人员利用该特性将 11-巯基十一酸修饰的肽底物(Arg-Val-Arg-Arg)固定在金电极表面上,并使用 EIS 对电极性能进行测试,Nyquist 图表明,在数小时至三天内,电极的阻抗提升了 25%。实验结果表明,肽修饰的金电极可以在不使用标记的情况下观察酶底物相互作用13。3.1.2.碳电极碳电极 碳及其衍生物的化学性质
21、稳定,碳电极在电化学传感器中以多种形式使用,常见的碳浆、玻璃碳电极已经广泛运用于 EIS 电极制作技术。由于丝网印刷技术的发展和价格低廉的特点,丝网印刷碳电极通常可以作为一次性的可抛电极使用。碳纳米材料例如多壁碳纳米管(Multiwalled carbon nanotube,MWCNTs)、石墨烯、富勒烯等,由于其在导电性能、电绝缘性、表面与界面特性等多方面的特殊电化学性质,在传感器的构建方面取得了很多的研究成果14。Giovanna S.Rocha 等人使用还原氧化石墨烯(rGO)制备了一种阻抗生物传感器用于检测牛奶样品中金黄色葡萄球菌的葡萄球菌肠毒素 A(SEA),并且能够选择性地检测 S
22、EA 水平,检测限为 0.102 g/mL 15。碳电极在疾病检测方面也得到了广泛运用,Rui Wang等人制备了一种基于 AgPt NRs-Rgo(以还原氧化石墨烯为载体的 AgPt 纳米环)纳米复合材料,修饰于玻碳电极表面,制备了检测癌胚抗原(CEA)的电化学免疫传感器,应用 EIS 技术检测,对 CEA 的线性范围为 5 fg/m 至 50 ng/mL,在三倍信噪比时 LOD 低至 1.43 fg/mL,并且有着较高的稳定性与选择性16。但该技术还存在稳定性需要进一步提升,实际样品检测复杂等需要改进的方面。杭宇腾 等 DOI:10.12677/aac.2023.132021 175 分析
23、化学进展 3.1.3.导电聚合物膜电极导电聚合物膜电极 导电聚合物(Conductive polymer,CP)是一类具有共轭结构的有机高分子材料,因其高导电性、高表面积、生物相容性、在水溶液中的化学稳定性和可观的吸附能力使其在构造电极方面有着巨大的潜力。聚乙炔、聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯及其共聚物等可用来替代金属电极,在基底电极的表面沉积一层导电聚合物能够提升电极的催化能力。在电极制备方面,通过氧化聚合、电化学制备、PANI 的兴奋剂、氧化掺杂、酸性掺杂等方法制备后再进行物理或者化学沉积,并且利用详细的微观、光谱、结构和热表征来确认聚合物复合材料的形成16 17 18。Mahnoush Beyg
24、isangchin 等人通过将用琼脂固定的金纳米颗粒(AuNPs)与聚苯胺(PANI)通过层层组装(layer-by-layer,即 LBL)技术固定在电极表面,能够应用于肾上腺素、多巴胺和葡萄糖的的检测19。但是该技术容易受到薄膜沉积难、重现性差以及薄膜导电性的长期稳定性的应用限制20。3.1.4.可抛型电极可抛型电极 可抛型电极由于其低成本、小尺寸、便携性、高选择性和高灵敏度等特点在 EIS 检测中备受关注21。能够制备可抛型电极的技术多种多样,如丝网印刷技术、喷墨打印与 3D 打印技术、薄膜制备技术和蛋白质微阵列法等。丝网印刷技术制造的可抛型电极,能够满足疾病检测对稳定性、可重复性、灵敏
25、度和床旁检测的需求,也可以根据需求加入金、银等贵重金属以及粘合剂、聚合物、增塑剂、溶剂、金属氧化物、酶、离子交换剂等添加剂。AtulSharma 等人基于可抛型丝网印刷电极制造了一种可以一次性检测的便携式核酸适配体功能化阻抗传感器,可以用于检测牛奶样品中的卡那霉素(KANA),修饰后的电极对KANA 具有特异性选择,且不容易受到竞争类似物(链霉素等)的干扰22。虽然丝网印刷技术制作电极简便快速,但是容易受到粘性油墨和昂贵材料的浪费等因素影响。与丝网印刷技术相比,喷墨打印技术有着更低的成本,并且基于计算机软件的支持够绘制更高精密度、高分辨率的电极以减少贵重材料的浪费23。因此,喷墨打印技术在柔性
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