来源：源景泰科
研究背景
抗生素的发现改变了细菌感染的治疗方式，但由于滥用和新药物开发不足，抗生素耐药性（AMR）已成为全球严重威胁。根据数据，美国每年约有99,000人死于医院获得性感染（HAIs），预计到2050年，AMR将导致每年1000万人死亡。因此，早期检测病原体和生物标志物至关重要，传统的检测方法如显微镜、培养、ELISA、PCR等，尽管敏感性和特异性良好，但通常需要专业人员和昂贵设备，且耗时较长。
研究发现
近年来，阻抗免疫传感器（Impedimetric Immunosensors）作为新兴技术，因其高灵敏度、快速反应、低成本和可携带性而受到关注。这些传感器利用电化学阻抗谱（EIS）原理，通过特异性结合的生物受体（如抗体或其他亲和蛋白）来检测病原体和生物标志物。文献中总结了不同类型的阻抗免疫传感器，包括电极类型、基础材料和功能化策略，涵盖了细菌、病毒、真菌和疾病生物标志物的检测。
实验策略
该综述探讨了阻抗免疫传感器的设计和应用，强调了以下几个方面：
1. **电极材料**：使用自组装单分子层（SAM）或聚合物层来提高传感器的性能。
2. **功能化方法**：通过不同的化学交联剂和连接方式将生物受体固定在电极表面。
3. **检测灵敏度**：通过优化电极的结构和材料，显著提高了对目标病原体的检测灵敏度，部分传感器的检测限（LOD）可低至几个CFU/mL。
数据分析
图1 生物传感器平台示意图：生物传感器概述，展示了不同类型的生物识别元件和生物传感器的转导机制，以及信号处理器。
图2 相量图：相量图显示了分析物结合时相角（θ）和幅值（|Z|）的变化。
图3 Nyquist图及其Randles等效电路的一般方案：Nyquist图是通过绘制阻抗的虚部（电容性）与实部（电阻性）得到的。最相关的特征包括：溶液电阻Rs；电荷转移电阻Rct；最大双电层电容Cdl和Warburg阻抗W，仅在法拉第传感器中观察到，代表质量转移扩散效应。
图4 生物传感器构建每一步的阻抗总体方案。随着材料在表面电极上的沉积增加，阻抗也随之增加。通常，材料在生物传感器表面的沉积会导致电阻和电容的增加，从而阻碍溶液基介质与电极表面之间的电子转移。
图5 a 透明质酸（HA）涂层铝氧化物纳米孔中构建的阻抗免疫传感器的示意图，用于检测大肠杆菌，并插入微流控装置。b 显示捕获在纳米孔膜上的细菌的FE-SEM图像。比例尺为1μm。c 左侧图表显示不同细菌浓度下的归一化阻抗变化（NIC），右侧图表显示通过阴性对照细菌的验证实验。
图6 a 阻抗检测免疫传感器的逐层构建示意图。b 每一步电极功能化的Nyquist图。对于裸电极，阻抗值几乎可以忽略。随着电极表面复杂性的增加，阻抗也增加，因为电子到达表面的路径受到更多阻碍。c 阻抗变化（%）与细菌浓度的对数（CFU/mL）绘制的关系图。细菌浓度的增加导致更厚的平台，从而使阻抗值增加。
图7 a 用于在3D镍泡沫上检测SRB的生物传感器构建总体方案。b Rct变化图显示不同细菌浓度的校准曲线。
图8 左侧为针对链球菌的免疫传感器逐层构建的总体方案，右上方为传感器表面结合的链球菌的荧光成像，右下方为不同细菌浓度（从10^4到10^8细胞/mL）加入后的阻抗变化百分比图。
图9 a 用于肌红蛋白（Mb）检测的生物传感器构建方案。金线作为电极，用抗Mb进行功能化，用BSA封闭，最后用Mb进行测试；b 显示生物传感器构建每一步的阻抗值；c 显示随着分析物浓度增加的Nyquist图中的阻抗值。
临床意义
阻抗免疫传感器在快速检测病原体和生物标志物方面展现出巨大的潜力，能够在短时间内提供准确的结果。这对于应对抗生素耐药性和快速诊断感染性疾病具有重要的临床意义。
主要结论
阻抗免疫传感器的持续发展和优化可能会取代传统的检测方法，尤其是在临床应用中。尽管目前仍面临高成本和重复性问题，但新型生物受体（如纳米抗体和非抗体蛋白）正在被广泛研究，以提高传感器的性能和应用范围。
讨论部分总结
讨论部分强调了阻抗免疫传感器在病原体检测中的优势和局限性。尽管技术进步显著，但在大规模应用中仍需解决成本和重复性问题。此外，未来的研究方向应集中在新型生物受体的开发和传感器的标准化，以实现更广泛的临床应用。
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