综述：芯片电化学基因传感器在病原体早期诊断中的应用

这篇综述系统阐述了电化学基因传感器（electrochemical genosensors）在病原体检测领域的最新进展，重点介绍了CRISPR-Cas集成系统、新型纳米材料（如MXene复合材料、各向异性金纳米结构）和微流控（microfluidic）平台的协同创新，实现了对细菌、病毒等病原体的阿托摩尔级（attomolar）检测极限，为床旁检测（POC）提供了高灵敏度、低成本解决方案。

　　

芯片电化学基因传感器的革命性进展

摘要
电化学基因传感器凭借其高灵敏度、快速响应和低成本优势，已成为病原体早期诊断的重要工具。通过整合CRISPR-Cas系统、纳米材料与微流控技术，最新研究将检测限推至attomolar水平，彻底改变了传统分子诊断的范式。

1. 引言
COVID-19大流行凸显了传染病诊断的紧迫性。传统PCR和ELISA技术虽灵敏，但依赖实验室设备且耗时。电化学基因传感器通过核酸（NA）杂交事件的电化学读数，实现了无需光学系统的便携检测，其核心由生物传感系统和电化学换能器构成。

2. 电化学基因传感策略
NA传感器依赖探针DNA（pDNA）与靶DNA（tDNA）的序列特异性配对。分子信标（molecular beacon）和肽核酸（PNA）探针显著提升了单碱基错配识别能力，这对单核苷酸多态性（SNP）检测至关重要。

3. 核酸自组装单层（SAMs）
pDNA在电极表面的定向固定是性能关键。金电极表面通过烷硫醇连接体固定pDNA，并用6-巯基-1-己醇（MCH）阻断非特异性吸附，形成高密度三元单层，将背景噪声降低80%。

4. 导电/非导电聚合物传感器
聚苯胺（PANI）和聚吡咯（PPy）等导电聚合物（CPs）因其可调性和生物相容性被广泛应用。例如，PANI/金纳米颗粒（Au NPs）复合电极检测大肠杆菌（E. coli）的灵敏度达4 CFU mL^-1。壳聚糖（CS）作为非导电聚合物，与石墨烯（Gr）复合后可将检测限降至10^-14 mol L^-1。

5. MXene与金属有机框架（MOFs）
Ti₃C₂ MXene凭借超高电导率和亲水表面，使结核分枝杆菌（M. tuberculosis）检测限达20 CFU mL^-1。铈基MOFs（Ce-MOF）与钯纳米结构结合，对SARS-CoV-2的检测限为0.2 fmol L^-1。

6. CRISPR驱动的传感器
CRISPR-Cas12a通过"信号开启"机制实现超灵敏检测。盐atory滚环扩增（SRCA）与CRISPR联用，使金黄色葡萄球菌（S. aureus）检测限达2.51 fg μL^-1。

7. 核酸扩增技术
环介导等温扩增（LAMP）无需热循环仪，可在1小时内检测结核分枝杆菌（40基因组当量）。滚环扩增（RCA）与磁性颗粒（MPs）联用，对大肠杆菌DNA的检测限为6.7 amol。

8-11. 病原体检测应用

• 细菌：非球形Au NPs传感器对沙门氏菌（Salmonella）的检测限达55 CFU mL^-1；
• 寄生虫：金纳米叶片（Au nanoleaves）传感器对利什曼原虫（L. major）的检测限为1.8×10^-20 mol L^-1；
• 病毒：聚(4-氨基苯酚)传感器对乙肝病毒（HBV）的检测限为2.61 nmol L^-1。

12. 微流控集成
微流控技术通过自动化样本处理将检测时间缩短至7分钟。例如，3D打印芯片整合LAMP和CRISPR，实现唾液样本中SARS-CoV-2 RNA的"样本到结果"检测。

商业化挑战
尽管i-STAT等商用系统已上市，但规模化生产、抗生物污染涂层开发和多重检测干扰仍是产业化的关键瓶颈。未来需聚焦印刷电子技术和AI辅助信号解析，推动床旁诊断的普及。

展望
纳米孔测序与电化学传感器的融合，或将成为下一代病原体诊断的核心技术。通过跨学科创新，这一领域有望在精准医疗和公共卫生监测中发挥变革性作用。