综述：单细胞电化学传感技术的最新进展：综述

《Microchemical Journal》：Recent advances in single-cell electrochemical sensing technology: A review

本文综述电化学单细胞传感技术进展，涵盖微/纳米电极设计与ECL系统优化，解决传统方法分辨率低、实时监测难问题，应用于ROS/RNS、葡萄糖、多巴胺等生物标志物检测，探讨技术瓶颈及未来方向。

　　

雷龙旺|郭春贤|杨洪斌|胡芳鑫

苏州科技大学材料科学与工程学院，中国苏州215009

摘要

细胞不仅是代谢单位，还是组织功能的关键调节器，它们利用代谢可塑性来适应动态的微环境信号。在单细胞水平上的分析对于理解各种基本生命过程至关重要。然而，细胞体积极小、分析物总量低以及复杂的亚细胞区室化给单细胞水平的精确、实时、高空间分辨率监测带来了重大挑战。基于微/纳米电极和电化学发光（ECL）的电化学方法具有明显优势，包括高灵敏度、最小侵入性和动态响应性。微/纳米电极提供高空间分辨率和局部检测，同时对细胞的干扰最小；而ECL系统无需外部光源，能够实现高信噪比，非常适合检测低丰度目标物质。这些方法共同克服了单细胞分析中的关键限制，实现了高分辨率、实时的生化监测。本文综述了电化学单细胞技术的最新进展，重点介绍了电极结构、发光剂的创新以及在检测活性氧/氮物种、葡萄糖、多巴胺、蛋白质和核酸方面的应用。我们还讨论了当前的限制和未来发展方向，以支持下一代单细胞传感策略的发展。

引言

传统的批量细胞分析方法依赖于大量细胞的平均数据，常常掩盖了细胞间的异质性[1]，导致信息丢失。这些限制阻碍了我们对细胞特异性行为和微妙生化变化的理解。传统的单细胞分析技术（如微流控、流式细胞术、显微镜和质谱）试图解决这些问题，但仍存在固有局限性[2]。高昂的成本、低通量以及无法实现实时、高分辨率的生化监测限制了它们在动态细胞研究中的广泛应用。为了克服这些缺点，单细胞水平的实时传感变得越来越重要。它能够保留细胞内的独特生化特征和空间异质性，为动态细胞过程和功能状态提供了前所未有的见解。然而，实施单细胞分析面临重大挑战：单个细胞的体积极小（约10^?12 L），这使得分离和操作变得复杂，同时还需要保持细胞的结构和功能完整性。此外，复杂的细胞组成、目标分子总量低以及结构多样性进一步增加了精确分子表征的难度。

电化学分析，特别是使用微/纳米电极和电化学发光（ECL）系统[3]，具有独特优势，包括高灵敏度、非破坏性测量和低侵入性的实时监测，克服了批量细胞方法的固有分辨率限制。其成本效益和可扩展性进一步提高了检测生物标志物、氧化还原状态和代谢物的实用性。因此，高分辨率、灵敏的单细胞分析工具的发展有望在功能性细胞生物学和疾病机制研究中带来变革性进展[4,5]。在我们之前的工作中，提出了一种W形Pt修饰的氧化石墨烯电化学微电极，实现了单细胞水平上过氧化氢（H₂O₂）的实时检测和定量。这一创新突显了电化学策略在单细胞分析中的实际应用，特别是在探测细胞内氧化还原动态和其他关键生物标志物方面的应用[6]。

单个细胞包含多种生物标志物，包括核酸、蛋白质、神经递质、小分子代谢物和离子，这些生物标志物分布在细胞核、线粒体和内质网等亚细胞结构中[7]。这些生物标志物对于解释细胞功能、疾病机制和个性化治疗反应至关重要，因为它们反映了生理状态和病理变化。例如，活性氧物种（ROS）、活性氮物种（RNS）、葡萄糖和代谢中间产物可以指示氧化应激和代谢活性。多巴胺是一种关键的神经递质，参与信号转导和情绪调节。此外，特定的蛋白质和核酸反映了基因表达和细胞内信号通路。

本文全面概述了电化学单细胞传感技术的最新进展。我们讨论了微/纳米电极的结构设计（如圆锥形和近圆柱形几何结构）及其在单细胞研究中的应用（图1）。此外，本文还重点介绍了利用鲁米诺、钌复合物和纳米级发射体的ECL系统。通过强调电化学传感的独特能力，我们重点介绍了在检测活性氧/氮物种（ROS/RNS）、葡萄糖、多巴胺、蛋白质和RNA等方面的突破，并评估了它们的性能和转化潜力。最后，我们概述了该领域当前面临的挑战、新兴机遇和未来发展方向。本文旨在为从事单细胞分析的研究人员提供有价值的资源，特别是那些关注细胞内生物标志物动态变化的研究人员。

章节摘录

电化学纳米传感器在单细胞检测中的应用

电化学传感是一种基于电化学原理检测目标物质的技术，通过监测电流、电压、导电性或电位等电化学信号来实现。在微/纳米电极中，当电极表面与目标分子发生氧化还原反应时，会发生界面电荷转移，这一过程受电极的电化学活性、材料导电性和周围电解质环境的影响。

电化学发光技术在单细胞检测中的应用

近年来，ECL技术发展迅速，特别是在生物医学和传感技术中的应用不断扩展，实现了单细胞水平的定性和定量分析。ECL是一种通过电化学反应产生光的现象。在电子转移过程中，某些分子被激发到更高能量状态，然后在返回基态时以光的形式释放能量[41]。

结论

近年来，单细胞电化学传感在微/纳米电极设计和电化学发光（ECL）系统方面取得了显著进展。圆锥形和近圆柱形电极的开发，结合贵金属纳米粒子修饰（如Pt/AuNPs），不仅实现了对多巴胺和活性氧物种等关键细胞内分子的高时空分辨率检测，还确保了优异的生物相容性，使电极能够

展望

尽管在探针设计、微/纳米电极结构和信号放大策略方面取得了显著进展，单细胞电化学传感技术在稳健性、可扩展性和体内应用性方面仍面临多重挑战。未来的研究可以从材料与界面工程、电极结构和膜穿透机制、信号策略和多重检测、发光剂和光学等多个关键方面解决这些瓶颈问题。

CRediT作者贡献声明

雷龙旺：撰写初稿、可视化处理、验证、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构思。郭春贤：监督工作、资源调配、项目管理、资金筹措。杨洪斌：监督工作、资源调配、项目管理、资金筹措。胡芳鑫：撰写与编辑、监督工作、资源调配、项目管理、资金筹措、概念构思。

未引用参考文献

[8]

利益声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。