Biosensors and Bioelectronics：基于食品分析的电化学细胞生物传感器的最新进展：传感器构建策略

基于电化学细胞的生物传感器（electrochemical cell-based biosensors，ECBBs）具有巨大的特异性、灵敏度、快速和非侵入性实时监测等优点，已成为涵盖营养、风味和安全领域的食品分析的有力工具。值得注意的是，ECBB独特的生物学相关性使它们能够模拟生理环境和反映细胞行为，从而导致对食物中目标成分的生物学功能提供有价值的见解。与以往的综述相比，本综述填补了当前ECBB构建策略的空白。本文综述首先概述了ECBB的材料和结构，包括细胞类型、细胞固定化策略、电极修饰材料和电化学传感类型。随后，详细讨论了ECBB在食品分析应用中的制造策略，并根据不同的信号源进行了分类。最后，我们总结了这些不同策略的优点、缺点和应用范围，并讨论了当前的挑战和未来的经验。

图1 (A)不同的细胞类型对应于当前在食物分析中的应用；(B)用于食物分析的说明。

1、ECBB的材料和配置

1.1细胞类型及其特征

包括微生物细胞、植物细胞和哺乳动物细胞，这里主要介绍哺乳动物细胞。

哺乳动物细胞，包括正常细胞和癌细胞，被广泛用于构建基于细胞生物传感器的首选细胞类型。它们表现出稳定的基因表达和细胞增殖特性，以及与人类和动物相关的生理和毒理学反应。哺乳动物细胞具有广泛的受体和信号转导途径，使其能够有效地感知特定的生物分子并产生相应的生物反应。

在过去的几年中，哺乳动物细胞已被广泛用于评估食品污染物的毒性、风味物质的味道和功能成分的功效。通常，人类肝细胞癌（HepG2）细胞被用来评估农药的肝毒性，味蕾细胞用于选择性地应对味觉，而人类皮肤恶性黑色素瘤（SK-MEL28）细胞用于检测某些食物成分的抗癌作用。综上所述，不同的细胞对应着不同的生理特性，因此需要根据具体的实验要求和应用场景来选择合适的细胞类型。

1.2细胞固定策略

目前的细胞固定化策略可分为粘附法和包膜法。前者是指细胞形成一个简单的二维（2D）单层的情况。某些类型的细胞的粘附性允许它们以二维的方式自我附着在电极表面。尽管它很方便，但这种方法往往是不切实际的，因为它的能力维持细胞活力和粘附的不足。因此，人们研究了各种表面改性材料作为粘附因子来修饰传感界面。自1974年以来，聚赖氨酸一直被用作涂层材料来修饰细胞接触界面，通过与聚阳离子细胞膜的静电相互作用，发挥促进细胞粘附的作用。此外，层粘连蛋白、胶原蛋白、RGD肽（R：精氨酸；G：甘氨酸；D：天冬氨酸）和MAST肽也显示出了促进细胞粘附的有效性。表1总结了常用的细胞固定化材料。

除了上述基于表面粘附的二维固定化策略外，三维（3D）细胞封装策略近年来逐渐成为人们关注的焦点。到目前为止，各种支架已被用于3D细胞培养，包括基质凝胶、琼脂糖水凝胶、海藻酸钠水凝胶、GelMA水凝胶、聚乙二醇（PEG）水凝胶和纳米纤维化纤维素水凝胶（表1）。3D支架的存在使细胞在体内的细胞行为非常相似。此外，导电性和支持性的导电水凝胶的进步对基于细胞的电化学传感器的发展做出了重大贡献。

表1 ECBB中常用的细胞类型和细胞固定化材料

1.3功能传感材料

传感器的灵敏度是必须考虑到的一个关键方面。为了克服电极导电和电催化性能的限制，人们采用了多种功能材料进行电极改性，包括碳基纳米材料、金属、金属氧化物、导电聚合物、金属有机框架（MOFs）及其复合材料。

碳基纳米材料包括多种材料，包括碳纳米管、石墨烯、富勒烯、碳基量子点和碳纳米纤维。由于其较大的比表面积和较高的电导率，它们为电化学传感提供了显著的好处。特别是，它们优异的生物相容性有助于细胞在传感表面的直接定植。它们具有化学稳定性，确保了生物传感器在富含生物底物的环境中的长期功能。此外，碳基纳米材料可以通过很容易地与官能团进行共价和非共价修饰来功能化，从而改善物理化学性质。

贵金属纳米颗粒，如Au、Pt和Ag纳米颗粒，由于其优异的导电性和有效的催化作用，已被广泛用于修饰传感界面。金属纳米颗粒的理化性质通常取决于其大小和形状，这可以通过合成方法进行控制。近年来，绿色生物合成方法是一种生产无毒、生物相容性贵金属NPs的新兴趋势。

2、食品分析中ECBB的构建策略

以前的ECBB主要依赖于一批细胞的电学特性，其中细胞簇产生一个相对独特和可检测的信号。随后对细胞电化学信号的研究揭示了细胞内嘌呤的可用性，导致了基于嘌呤检测的ECBB的出现。此外，细胞生理学和传感技术的进步导致了许多利用细胞生理反应和代谢活动的特定ECBB的发展。这一进展拓宽了ECBB在食品分析中的应用范围。ECBB应用于食品分析的构建策略可根据不同的信号源大致分为四类。

图2 基于信号源分类的食物分析中的不同策略

表2 基于细胞电学特性的ECBB在食品分析中的应用

图3 (A)在基于细胞阻抗的ECBB上对根皮素的抗氧化评价示意图。(B)基于细胞氧化还原信号检测的ECBB对姜黄素的抗癌效果评价示意图。(C)基于TRC的小鼠鲜味评价生物传感器的构建程序。

表3 基于细胞释放的ROS/RNS的ECBBs

图4 (A)基于百草枯诱导的细胞氧化应激模型的抗氧化活性评价的ECBB的制备示意图。(B)纸芯片和导电夹套器件(a)的结构，小型纸支持的3D ECBB (b)的整体结构，该传感器(c)对真实细菌污染样本中LPS的检测结果。(C)基于脂多糖诱导的细胞免疫模型的三维ECBB的构建和工作原理示意图。

表4 基于细胞代谢活动的ECBB

图5 (A)BQ介导的大肠杆菌呼吸法电化学生物毒性检测的原理示意图。(B)基于藻类光合过程的生物传感器制造方案。(C)基于希瓦氏菌细胞的生物传感器通过乳酸代谢检测核黄素的原理示意图。(D)基于细胞内乙酰胆碱酯酶活性的集成三维细胞传感器的结构图及其对OPs进行神经毒性评估的工作原理。(E)用表面固定化酪氨酸酶修饰的大肠杆菌细胞电极的构建方案及其用于BPA的检测。

表5 ECBB在食品分析中的优缺点总结

参考文献：Wei, X., Reddy, V. S., Gao, S., Zhai, X., Li, Z., Shi, J., Niu, L., Zhang, D., Ramakrishna, S., & Zou, X. (2024). Recent advances in electrochemical cell-based biosensors for food analysis: Strategies for sensor construction. Biosensors & bioelectronics, 248, 115947. https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115947