在快速发展的生物传感器技术领域，提升分析性能指标已成为研究人员和开发者的核心关注点。其中，检测限（Limit of detection，LOD）通常被视为衡量生物传感器能力的主要指标。通常，人们认为较低的LOD代表了更先进的技术，能够检测越来越低浓度的分析物。这种对极限LOD的追求在多个生物传感器应用领域中显而易见，从环境监测到临床诊断无不如此。
然而，过度追求低LOD往往掩盖了生物传感器其他重要功能方面的考量，如可用性、成本效益，以及最重要的——在实际应用中的可行性。例如，在临床应用中，传感器在相关生物范围内检测目标分析物的能力，比检测远低于生理浓度更加重要。实验室成果与临床需求之间的这种差异，提出了对当前生物传感器研究重点的商榷。
在学术文献中，突破LOD界限的技术成就往往备受推崇。大量研究报告了新材料、新架构和新传导原理，主要为降低LOD而设计。虽然这些进展非常重要，但未必能转化为对终端用户的实际改善。举例来说，一种能够检测皮摩尔浓度生物标志物传感器在技术上令人印象深刻，但如果该生物标志物的临床相关性体现在纳摩尔范围内，这种高灵敏度反而显得多余，不仅使设备复杂化，而且未增加实际效用。此外，追求更高灵敏度往往会牺牲其他关键特性，如检测范围、线性度以及抗样品基质干扰的能力，这些对于实际应用至关重要。因此，在各项分析参数之间取得平衡至关重要。单纯关注LOD和灵敏度可能导致设计出需要复杂样品制备的设备，降低了用户友好性，并增加了分析的成本和时间。
尽管我们批判性地审视了在生物传感器开发中过度强调超低LOD的趋势，但也必须承认，在某些特定场景下，低LOD不仅有益，而且至关重要。特别是在临床诊断中，许多生物标志物在健康状态下通常不可检测，但在疾病早期阶段以非常低的浓度出现。对于这些标志物，生物传感器检测微量物质的能力可能会带来革命性变化，使疾病在症状明显之前得以早期检测和诊断。这种能力可以通过早期干预策略显著改善患者的预后。因此，低LOD的重要性不应被一票否定，而是应当强调选择目标标志物的必要性。标志物的选择应以其临床相关性及其在特定背景中的出现为依据，确保传感器的灵敏度与疾病早期检测和管理的实际需求相匹配。
文献中有许多综述探讨了LOD的重要性以及在生物传感器开发中不确定性的确定方法，这些研究阐明了通过校准曲线确定LOD的过程以及分析物的不确定性测量方法。其他综述则探讨了生物传感器中各种分析参数的优劣，并讨论了整体性能提升的各个方面。一篇由Prabowo等撰写的综述探讨了生物医学应用中生物传感器开发所面临的挑战。他们深入探讨了各种分析参数和生物标志物选择的相关性。更重要的是，他们简要讨论了在生物传感器设计过程中考虑的临床标志物及其临界值的相关性。
鉴于这些考虑，本文的目的是对生物传感器研发中对分析参数的重视程度进行批判性评估。我们建议生物传感器领域的设计应更多地转向在灵敏度与实际应用可行性之间取得平衡。不仅需要关注分析性能的提升，还要从现实可用性和相关性的角度出发，重新定义成功标准，使得生物传感器研究能够更有效地满足终端用户的需求。本文旨在探讨这一LOD悖论，强调低LOD并不总是等同于更好性能或更大实用性，并倡导在生物传感器开发中采用更全面的方法。
灵敏度 （Sensitivity）
灵敏度是生物传感器技术中的关键性能指标，用于衡量生物传感器相对于其基线信号能够检测到的最小分析物浓度变化。它量化了生物传感器对目标分析物浓度变化的响应程度，对于那些检测低水平物质可能引发早期诊断和干预的应用至关重要。灵敏度通常通过校准曲线的斜率计算，校准曲线展示了分析物浓度与传感器响应之间的关系。通过将传感器响应值与已知的分析物浓度绘制成图，可以得到校准曲线。数学上，灵敏度“S”可表示为S = ΔR/ΔC，其中ΔR为生物传感器响应的变化，ΔC为分析物浓度的变化。校准曲线斜率越陡，灵敏度越高，表明即使分析物浓度发生微小变化，传感器的响应也会产生显著变化。
注意：上述分析灵敏度与与临床灵敏度存在区别。
临床灵敏度（clinical sensitivity）考虑了该检测在实际诊断疾病中的应用。临床灵敏度不仅局限于实验室条件，还涉及诸多其他因素，如采样类型、采样时机（疾病进程中的不同阶段）以及整体临床环境。临床灵敏度反映的是在患病个体中，检测能够正确识别阳性结果的比例。其计算公式为：Sensitivity= (True positives) / (True Positives + False Negatives) 。
动态范围与线性 （Dynamic range and linearity）
生物传感器的动态范围是指设备能够有效检测的目标浓度范围，涵盖从最低检测限（LOD）到传感器信号饱和点之间的浓度区间。然而，传感器的信号响应并非总是与浓度成正比，尤其是在非常低或非常高的浓度水平。因此，生物传感器专家通常讨论“线性动态范围”，即指信号响应与浓度成线性关系的那部分曲线。传统生物传感器在灵敏度与线性动态范围之间存在固有的权衡。高灵敏度通常意味着传感器在较低的分析物浓度下就会达到饱和，从而缩小了线性动态范围。这是因为高灵敏度的传感器即使在低浓度下也能产生强烈的信号，快速达到信号饱和点，使进一步增加分析物浓度不再引起信号的成比例增加。因此，需要广泛线性范围的应用往往需要在灵敏度上作出妥协。
空白限、检测限和定量限 (Limit of blank, limit of detection, and quantification)
根据International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) （IUPAC）的定义，检测限（Limit of detection, LOD）是指在规定测试条件下，能够可靠检测到的最小物质浓度，但不一定能够精确定量。LOD 通常通过信号与空白测量的差异来表示，这一差异为空白信号标准偏差（SD）的若干倍。例如，常用的标准是信号达到空白标准偏差的三倍（3 × SD），以此表示信号相对于背景噪声的统计学显著增加。
空白限（Limit of Blank, LOB）是确定检测限（LOD）的关键参数，有助于理解分析系统中的基线噪声水平。LOB 被定义为在测试空白样品（不含分析物）的多次重复实验中，可能出现的最大分析物浓度信号。值得注意的是，即使是空白样品也可能产生与极低浓度的分析物一致的信号。LOB 的估算基于对空白样品重复测试的结果，计算空白样品的均值和标准偏差： LOB= meanblank + 1.645 (SDblank).
定量限（ Limit of Quantification，LOQ）是评估生物传感器性能的另一个重要参数，且与LOD密切相关。虽然LOD表示可以可靠检测到的最小目标浓度（但不一定能够精确定量），LOQ 则表明可以定量测量并具备足够精度和准确度的最小浓度。LOD 和 LOQ 之间的关系在生物传感器设计中尤为重要，因为它定义了检测和可靠测量的阈值。通常，LOQ 高于 LOD，因为需要更多的分析物以确保测量能够以可接受的置信度重复。
特异性 （Specificity）
在生物传感中，特异性指的是检测系统通过利用生物识别元件的高度选择性和强亲和力相互作用，能够在多种物质中准确识别并结合特定目标的能力。检测目标的精确度不仅显著影响了传感器的特异性，同时也提升了其灵敏度。在复杂样品中，增强特异性通常需要采用各种技术以减少交叉反应，从而提高检测的准确性。通常，通过比较非互补（非目标）样品与目标物质的响应信号来评估生物传感器的特异性表现。高度特异性的生物传感器对非目标样品的响应信号接近于零浓度条件下的信号，最大限度地减少了假阳性结果，并降低了由于非特异性结合或其他干扰引起的信号漂移。
选择性 （Selectivity）
选择性是生物传感技术中的关键性能参数，指的是传感器在基质样品中区分目标分析物与其他物质（非特异性干扰）的能力。高选择性确保传感器主要对目标分析物作出响应，最大限度地减少其他化合物带来的干扰。这在多种物质共存的复杂生物或环境样品中尤为重要。生物噪声是影响生物传感器准确性和可靠性的重要因素。生物噪声源于生物样品基质内部的固有变异性，包括 pH 值、离子强度以及蛋白质和其他生物分子的存在。这些变异可能会掩盖目标分析物产生的信号，增加检测难度。此外，内源性物质与传感器识别元件之间的非特异性相互作用也可能进一步增加生物噪声，导致假阳性或检测结果不准确。
重现性 （Reproducibility）
在生物传感中，重现性是指在不同情况下或不同用户之间测量结果的一致性，反映了生物传感器在各种条件下的可靠性。它与重复性不同，后者是指同一用户在相同条件下（例如同一天）进行测试时所获得的精确度。评估重现性时，对同一样品进行多次测量是至关重要的，这有助于计算标准差（SD）。这个过程有助于建立生物传感器的准确性和精确度。
(A) 表示最佳的准确性和精确度，重复测量产生准确的均值，并且标准差很低。
(B) 代表均值有效但标准差较高的一种情况，表明精确度低。
(C) 显示出高精确度但低准确度，测量值彼此接近但远离真实值，这需要在目标测量前进行校准。
(D) 低准确性和低精确度，表示重现性和重复性较差。
指导教师：王战辉
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116670
