檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)生物傳感器研究進(jìn)展

竇雪晨，王 冠，張 寧，程 智，杜耀華，田 豐

（軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161）

嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2型（SARS-CoV-2）是一種新發(fā)現(xiàn)的人類冠狀病毒，是引起新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的主要病原體。起始于2019年年末、至今未完全遏制的COVID-19的全球大流行，導(dǎo)致了世界范圍內(nèi)極高的發(fā)病率和嚴(yán)重的死亡率［1-4］，造成了生活、交通、經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療等多方面的嚴(yán)重問題。COVID-19的潛伏時間長、傳播速度快且存在40%～45%的無癥狀感染［5］，而無癥狀感染者的未知傳播途徑和傳播能力給疾病的預(yù)防和控制帶來了眾多監(jiān)管難題。與此同時，SARS-CoV-2的ORF1（Open reading frame 1）還存在多個變異位點［6］。隨著時間的推移，目前已知SARS-CoV-2病毒已有阿爾法變體、德爾塔（Delta）變異毒株等［7-8］。因此，快速、準(zhǔn)確的大規(guī)模篩查是遏制病毒傳播的最有效手段之一。

目前，可用于診斷COVID-19的方法包括實時逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（RT-PCR）、抗原檢測和血清學(xué)檢測等。迄今為止，RT-PCR 仍被認(rèn)為是診斷COVID-19的金標(biāo)準(zhǔn)［9］。然而，RT-PCR 檢測時首先需對病毒進(jìn)行核酸提取及RNA 的體外指數(shù)擴(kuò)增，存在前處理步驟煩瑣、檢測時間長，需要高精尖設(shè)備及專業(yè)素養(yǎng)高的操作人員等缺點，不適用于現(xiàn)場的快速診斷。電化學(xué)生物傳感器因靈敏、便攜、穩(wěn)健性高、小型化、成本低等優(yōu)點被認(rèn)為是臨床診斷中實時監(jiān)測新冠肺炎的最強(qiáng)大的替代工具之一［10-11］，而其檢測時間短（可在數(shù)分鐘內(nèi)獲得現(xiàn)場檢測人員的陽性/陰性結(jié)果）的優(yōu)勢還可用于開發(fā)COVID-19的即時檢驗（Point-of-care testing，POCT）設(shè)備。本文以可特異性檢測SARS-CoV-2 的刺突蛋白（Spike protein）、核衣殼蛋白（Nucleocapsid protein）和病毒核糖核酸（RNA）3個生物標(biāo)志物為切入點，綜述了基于抗原和遺傳物質(zhì)檢測SARS-CoV-2 的電化學(xué)生物傳感器研究進(jìn)展，旨在為設(shè)計現(xiàn)場快速診斷COVID-19的設(shè)備提供有力支撐。

1 基于刺突蛋白診斷COVID-19的電化學(xué)生物傳感器

SARS-CoV-2由刺突蛋白、核衣殼蛋白、包膜蛋白和膜蛋白4種結(jié)構(gòu)蛋白組成［12-13］。其中，刺突蛋白是一種可用于診斷COVID-19 的靶標(biāo)蛋白，具有高度免疫原性以及受體結(jié)合域（Receptor binding domain，RBD），因此將SARS-CoV-2的刺突蛋白用于診斷COVID-19以及研制疫苗和相關(guān)治療藥物等方面具有重要意義［14］?；诖耍罅繉W(xué)者以檢測刺突蛋白為目標(biāo)，設(shè)計了多種可檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)生物傳感器。

Seo 等［12］基 于 場 效 應(yīng) 晶 體 管（Field-effect transistor，F(xiàn)ET）設(shè)計了一種可用于臨床樣本檢測SARS-CoV-2 以實現(xiàn)COVID-19 診斷的電化學(xué)生物傳感器。通過在FET 的石墨烯電極片上用1-芘丁酸N-羥基琥珀酰亞胺酯（PBASE）進(jìn)行修飾，并將其作為界面偶聯(lián)劑固定SARS-CoV-2 刺突蛋白特異性抗體（如圖1A）后，用磷酸鹽緩沖鹽水（PBS，pH 7.4）完全覆蓋FET 作為電解質(zhì)，基于管道的表面的電位變化和對電響應(yīng)影響實現(xiàn)SARS-CoV-2 的臨床樣本檢測，得到其檢出限為2.42 × 102copies/mL?；贔ET 的電化學(xué)生物傳感器具有成本低、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)范圍廣等優(yōu)勢，為臨床檢測SARS-CoV-2、診斷COVID-19 提供了一種無需對樣品進(jìn)行預(yù)處理或標(biāo)記的高靈敏免疫學(xué)診斷方法。Vadlamani 等［14］設(shè)計了一種低成本、高靈敏度的二氧化鈦納米管（Co-TNTs）電化學(xué)生物傳感器：通過一步電化學(xué)陽極氧化方法合成TNTs，采用離子交換對TNTs平臺進(jìn)行鈷功能化后，將其連接到恒電位儀上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并采用電流法檢測刺突蛋白表面的RBD快速檢測SARS-CoV-2以診斷COVID-19。基于Co-TNTs的電化學(xué)生物傳感器在較低病毒蛋白載量范圍內(nèi)可特異性檢測SARS-CoV-2 刺突蛋白RBD，并在檢測濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出線性響應(yīng)。此傳感器的最大優(yōu)勢在于檢測速度快，約30 s 即可高效檢測SARS-CoV-2 刺突蛋白RBD。未來，可將其用于開發(fā)一款快速診斷口鼻分泌物中是否存在SARS-CoV-2 的即時診斷設(shè)備。Fabiani 等［15］基于磁珠的電化學(xué)檢測方法和炭黑基的絲網(wǎng)印刷電極設(shè)計了一種可同時對唾液中SARS-CoV-2 刺突蛋白和核衣殼蛋白進(jìn)行檢測的高靈敏度電化學(xué)生物傳感器（如圖1B）。該傳感器以PalmSens便攜式恒電位儀作為讀數(shù)計，在30 min 內(nèi)通過伏安曲線檢測到未進(jìn)行處理的唾液樣本中的刺突蛋白和核衣殼蛋白，檢出限分別為19 ng/mL和8 ng/mL。將該傳感器與實時定量PCR檢測同一樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性較好且檢測速度更快。Lima等［16］利用半胱胺穩(wěn)定的AuNPs 改性石墨鉛筆芯和塑料瓶，以血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（Angiotensin-converting enzyme 2，ACE2）作為識別元件，設(shè)計了一種快速、低成本、高便攜度的可檢測SARS-CoV-2刺突蛋白的電化學(xué)生物傳感器。在塑料瓶中將50μL含有刺突蛋白的PBS加入石墨電極中孵育5 min，隨后加入1 mL 自制的氧化還原探針溶液并檢測刺突蛋白與電化學(xué)生物傳感器結(jié)合后的電流抑制情況。該傳感器可在6.5 min 內(nèi)診斷疑似患者是否感染COVID-19，且對SARSCoV-2刺突蛋白的檢出限為229 fg/mL，測試費僅需1.5 美元。

圖1 基于刺突蛋白檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)傳感器Fig.1 Electrochemical sensor based on SARS-CoV-2 detection with spike protein A. FET-based electrochemical biosensor for COVID-19（基于FET的COVID-19電化學(xué)生物傳感器）［12］；B. carbon black-based electrochemical sensor with screen-printed electrodes for detection of SARS-CoV-2（基于炭黑基的絲網(wǎng)印刷電極電化學(xué)傳感器檢測SARS-CoV-2）［15］

此外，還有一些其他基于SARS-CoV-2刺突蛋白檢測以診斷COVID-19的電化學(xué)傳感器。如Liv等［17］利用牛血清蛋白、SARS-CoV-2刺突蛋白抗體和功能化氧化石墨烯修飾玻碳電極（BSA/AB/f-GO/GCE）或絲網(wǎng)印刷電極（BSA/AB/f-GO/SPE）組成電化學(xué)生物傳感器，通過抗原-抗體之間的相互作用，利用伏安法測定SARS-CoV-2刺突蛋白；Zaccariotto等［18］設(shè)計了一種利用還原的氧化石墨烯修飾玻碳電極的電化學(xué)生物傳感器，通過電化學(xué)阻抗譜和循環(huán)伏安法成功檢測了唾液樣本中SARS-CoV-2刺突蛋白RBD；Guo等［19］利用特制的納米有機(jī)電化學(xué)晶體管，根據(jù)檢測過程中的電流變化，成功檢測了不同病毒載量的未經(jīng)處理的臨床鼻咽拭子和唾液樣本中的SARS-CoV-2刺突蛋白；Yousefi等［20］將特異性抗體固定在包含還原探針的雙鏈DNA上，采用計時電流法，根據(jù)傳感器結(jié)合刺突蛋白前后的表面流體力學(xué)變化實現(xiàn)了SARS-CoV-2的檢測，檢測時間在5 min 內(nèi)；El-Said 等［21］使用高度均勻的Au微立方體作為微電極，以抗SARS-CoV-2刺突蛋白抗體為探針，基于循環(huán)伏安法和方波伏安法對SARS-CoV-2刺突蛋白進(jìn)行檢測，得到檢測范圍為100 pmol/L ～5 nmol/L，檢出限為276 fmol/L；Zhang 等［22］利用自制的二聚體DNA 適體DSA1N5設(shè)計了一種簡單快速的基于唾液的SARS-CoV-2抗原檢測的電化學(xué)傳感器，用于識別野生型病毒及其Alpha和Delta變體的刺突蛋白；Idili等［23］利用電化學(xué)適配體設(shè)計了一種快速、無試劑、可定量檢測SARS-CoV-2刺突蛋白的傳感器，可在15 s內(nèi)檢測到目標(biāo)蛋白，且能區(qū)分類目標(biāo)蛋白與其他干擾蛋白。表1總結(jié)了近3年基于刺突蛋白檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)傳感器，這些成果為后續(xù)設(shè)計基于SARS-CoV-2刺突蛋白診斷COVID-19的便攜式設(shè)備提了供研究基礎(chǔ)及理論依據(jù)。

表1 基于刺突蛋白檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)傳感器Table 1 Electrochemical sensor based on SARS-CoV-2 detection with spike protein

由于刺突蛋白位于SARS-CoV-2 病毒的表面，因此采用電化學(xué)生物傳感器無需進(jìn)行前處理即可實現(xiàn)刺突蛋白的檢測，且具有操作簡便、檢測速度快等優(yōu)勢。目前基于刺突蛋白診斷COVID-19 的電化學(xué)生物傳感器研究已有很多報道［24-33］，但僅針對刺突蛋白進(jìn)行SARS-CoV-2 檢測以診斷COVID-19還存在不確定性，可能產(chǎn)生假陽/陰性結(jié)果。例如，刺突蛋白存在多個變異位點，隨著時間的推移會根據(jù)地理位置等相關(guān)條件的變化產(chǎn)生變異［34-35］，如已知的德爾塔變異病毒株。而基于刺突蛋白檢測SARS-CoV-2 的電化學(xué)生物傳感器一般是檢測刺突蛋白的固定片段，若刺突蛋白的相關(guān)片段發(fā)生變異，則極有可能造成檢測的假陽/陰性結(jié)果，這對于目前變異毒株的即時快速檢測是一大阻礙。

2 基于核衣殼蛋白檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)生物傳感器

相較于刺突蛋白，核衣殼蛋白更加穩(wěn)定，隨時間推移突變較少［36-40］，且核衣殼蛋白在COVID-19患者感染期間會大量表達(dá)［41］，從而在COVID-19患者血清中可檢測到較高濃度的核衣殼蛋白的免疫球蛋白（Immunoglobulin G，IgG）抗體。同時，已有學(xué)者的研究證明了核衣殼蛋白對SARS-CoV-2 病毒的整個生命周期至關(guān)重要［42］。因此，通過檢測核衣殼蛋白診斷COVID-19是一條可行之路。

Raziq 等［43］利用具有合成分子識別功能的分子印跡聚合物（MIP）構(gòu)建核衣殼蛋白-MIP 識別原件并以其修飾Au 薄膜電極，設(shè)計了一種可檢測SARS-CoV-2 核衣殼蛋白的電化學(xué)生物傳感器（如圖2A）。該傳感器可由平板計算機(jī)或智能手機(jī)中的軟件連接便攜式恒電位儀，通過氧化還原探針測量核衣殼蛋白-MIP 元件到Au 薄膜電極的電荷轉(zhuǎn)移強(qiáng)度，從而得到與病毒蛋白濃度相關(guān)的電流大小。結(jié)果表明，該傳感器不僅與SARS-CoV-2核衣殼蛋白濃度在2.22 ～111 fmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢出限低至15 fmol/L，還可以通過MIP 區(qū)分SARS-CoV-2 核衣殼蛋白和干擾蛋白（BSA、CD48、E2 HCV等），獲得良好的特異性。Tian等［44］通過修飾Au@Pt納米粒子和酶的金屬-有機(jī)骨架MIL-53，設(shè)計了一種檢測SARS-CoV-2 核衣殼蛋白的雙適配體電化學(xué)生物傳感器。通過將2 個巰基修飾的不同核酸適配體固定在電極表面捕獲SARS-CoV-2 核衣殼蛋白，再通過修飾Au@Pt/MIL-53 材料構(gòu)成適配體-蛋白質(zhì)-納米探針的免疫夾心體系。研究結(jié)果顯示，傳感器對SARS-CoV-2 核衣殼蛋白的線性范圍為0.025 ～50 ng/mL，檢出限為8.33 pg/mL。Eissa等［45］將SARS-CoV-2核衣殼蛋白固定在碳納米纖維修飾的絲網(wǎng)印刷電極上，設(shè)計了一種可檢測SARS-CoV-2 的電化學(xué)生物傳感器（如圖2B）。該傳感器利用方波伏安法，通過在檢測溶液中加入固定數(shù)量的核衣殼蛋白抗體確定所含核衣殼蛋白的濃度，檢出限為0.8 pg/mL。該傳感器具有無需樣本轉(zhuǎn)移和預(yù)處理，即可直接快速檢測的優(yōu)勢，且不與人乳頭狀瘤病毒等其他病毒的抗原發(fā)生交叉反應(yīng)，具有一定的選擇性。Li等［46］采用辣根過氧化物酶和目標(biāo)抗體雙重標(biāo)記的磁珠進(jìn)行免疫磁性富集和信號放大策略，利用絲網(wǎng)印刷金電極電化學(xué)傳感器，根據(jù)電流響應(yīng)成功地檢測了SARS-CoV-2 核衣殼蛋白。該傳感器可在55 min 內(nèi)檢測到全血中的目標(biāo)蛋白，檢出限為50 pg/mL；可在30 min 內(nèi)于5 倍稀釋血清中檢測到目標(biāo)蛋白，檢出限為10 pg/mL，具有便攜性高、操作簡單、靈敏度高等優(yōu)勢。Eissa 等［47］使用11-巰基十一烷酸對納米金修飾的絲網(wǎng)印刷電極進(jìn)行功能化，并將抗SARS-CoV-2 核衣殼抗體附在電極上，通過方波伏安法檢測還原峰電流的變化，以無標(biāo)記形式實現(xiàn)了SARS-COV-2核衣殼蛋白的檢測。該傳感器的線性范圍為1.0 pg/mL ～100 ng/mL，在磷酸鹽緩沖液溶液中的檢出限為0.4 pg/mL，具有小型化、成本低、快速響應(yīng)等優(yōu)勢，且對SARSCoV-2 具有高度選擇性。與此同時，聚焦于核衣殼蛋白檢測診斷COVID-9 的電化學(xué)傳感器研究還有很多［48-50］。如Torrente-Rodríguez 等［48］利用可批量生產(chǎn)的激光雕刻石墨烯電極設(shè)計了一種超靈敏、低成本、多路復(fù)用的電化學(xué)傳感器，不僅可檢測SARS-CoV-2病毒抗原核衣殼蛋白、IgM 和IgG 抗體以及炎癥生物標(biāo)志物C 反應(yīng)蛋白等多種評估COVID-19 的生物標(biāo)志物，還具有檢測速度快、選擇性高等優(yōu)勢；Torres 等［49］構(gòu)建了一種由血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2 修飾的微型生物傳感器并將其命名為RAPID 1.0，可在4 min 內(nèi)通過測量電化學(xué)阻抗譜的變化實現(xiàn)對鼻咽/口咽拭子和唾液樣本中核衣殼蛋白的檢測，具有高的特異性、敏感性和準(zhǔn)確性；Singh等［50］設(shè)計了一種基于適配體的電化學(xué)葡萄糖傳感器，可利用市面現(xiàn)有的血糖儀檢測SARS-CoV-2病毒的核衣殼蛋白或刺突蛋白，且蛋白濃度與血糖濃度成正比，具有成本低、設(shè)備易于獲取且無需額外投入等優(yōu)勢。表2總結(jié)了近3年基于核衣殼蛋白診斷COVID-19 的電化學(xué)傳感器研究工作［15，43-47，49-52］。

表2 基于核衣殼蛋白檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)傳感器Table 2 Electrochemical sensor based on SARS-CoV-2 detection with nuclear capsid proteins

圖2 基于核衣殼蛋白的電化學(xué)傳感器Fig.2 Electrochemical sensors based on the nucleocapsid proteins A. COVID-19 diagnostics principle by nucleocapsid protein sensor analyzing the samples prepared from nasopharyngeal swab specimens of patients（利用核衣殼蛋白傳感器診斷COVID-19患者鼻咽拭子標(biāo)本）［43］；B. detection principle diagram of dual aptamer electrochemical biosensor（雙適配體電化學(xué)生物傳感器檢測原理圖）［45］

與基于刺突蛋白的電化學(xué)傳感器研究相比，基于核衣殼蛋白的電化學(xué)傳感器研究較少，這可能與核衣殼蛋白所處位置有關(guān)。核衣殼蛋白是SARS-CoV-2 病毒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)蛋白，部分電化學(xué)生物傳感器在檢測前需將SARS-CoV-2 病毒裂解，從而釋放其內(nèi)部的核衣殼蛋白。相較于對SARS-CoV-2的RNA進(jìn)行檢測，基于核衣殼蛋白檢測以診斷COVID-19的電化學(xué)生物傳感器在操作便捷性、試劑成本及檢測成本、操作人員專業(yè)技能要求、檢測時間等方面仍具有相當(dāng)優(yōu)勢。未來，基于核衣殼蛋白檢測的電化學(xué)生物傳感器可專注于開發(fā)快速即時診斷COVID-19的檢測設(shè)備，以應(yīng)對現(xiàn)場大規(guī)?？焖俸Y查和及早診斷。

3 基于RNA檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)生物傳感器

基于RNA的RT-PCR檢測是直接對SARS-CoV-2病毒的RNA進(jìn)行檢測，因此該技術(shù)被公認(rèn)為是診斷COVID-19的金標(biāo)準(zhǔn)，且檢測靈敏度高，檢出限可優(yōu)化至3.9 copies［53］。但RNA 檢測需特有的、昂貴的檢驗設(shè)備，樣本采樣后須轉(zhuǎn)運至專門的實驗室。若在轉(zhuǎn)運或操作過程中存在失誤，則可能造成樣本的假陽/陰性結(jié)果。因此，部分學(xué)者研究了基于RNA 檢測診斷COVID-19 的可便攜電化學(xué)生物傳感器。

Alafeef等［54］利用石墨烯和金納米粒子設(shè)計了一種超靈敏電化學(xué)生物傳感器（如圖3A），其中金電極利用疏基修飾的反義寡核苷酸進(jìn)行修飾，在未進(jìn)行核酸擴(kuò)增的情況下，通過監(jiān)測石墨烯表面電荷和電子遷移率的變化可在5 min內(nèi)快速、準(zhǔn)確、高選擇性和超靈敏地檢測到SARS-CoV-2 RNA，檢出限為6.9 copies/μL。與其他研究成果相比［12-14，55-62］，該傳感器不僅提高了靈敏度，加快了響應(yīng)速度，還降低了RNA 檢測的成本。Peng 等［63］利用離子的靜電吸附作用可顯著放大電化學(xué)信號的原理設(shè)計催化發(fā)夾組裝的信號放大策略，設(shè)計了一種靈敏檢測SARS-CoV-2 RNA 的電化學(xué)生物傳感器，其檢測原理如圖3B。將傳感器用于感染患者的血清、唾液和咽喉樣本中SARS-CoV-2 RNA 的檢測，得到檢出限為26 fmol/L。方法避免了繁瑣的實驗步驟和復(fù)雜的探針修改，增強(qiáng)檢測信號的同時也提升了傳感器的抗干擾能力。Zhao 等［64］利用杯芳烴功能化氧化石墨烯設(shè)計了一種靶向SARS-CoV-2 RNA 的超靈敏電化學(xué)生物傳感器。通過預(yù)制混合液A 和B對病毒的RNA 進(jìn)行提取，隨后用傳感器進(jìn)行檢測并將其與智能手機(jī)關(guān)聯(lián)，基于超夾心識別策略通過電化學(xué)信號峰的變化確認(rèn)靶標(biāo)是否存在（靶標(biāo)存在時，電化學(xué)信號峰高；無靶標(biāo)時，電化學(xué)信號峰弱）。該傳感器檢測無需大型設(shè)備和專業(yè)操作人員，也無需核酸擴(kuò)增和逆轉(zhuǎn)錄等步驟，且具有高度特異性和選擇性，對臨床樣本的檢出限為200 copies/mL。但其操作步驟增加，檢測時長超過3 h，使之在快速檢測方面仍有不足。

圖3 基于RNA檢測的電化學(xué)生物傳感器Fig.3 Electrochemical biosensor based on RNA detection A. schematic diagram of ultra-sensitive electrochemical biosensor detection（超靈敏電化學(xué)生物傳感器檢測原理圖）［54］；B. principle of the proposed electrochemical biosensor for sensitive analysis of SARS-CoV-2 RNA（SARS-CoV-2RNA靈敏分析的電化學(xué)生物傳感器的原理）［63］

目前，基于RNA 檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)生物傳感器發(fā)展如火如荼，但受限于未對RNA 進(jìn)行擴(kuò)增等前處理，此類傳感器或靈敏度不理想，或?qū)鞲衅麟姌O和表面修飾過于復(fù)雜。因此，如何在不進(jìn)行RNA 擴(kuò)增，以及表面修飾步驟簡單的前提下提高靈敏度是目前此類電化學(xué)生物傳感器亟需解決的問題。

表3 總結(jié)了部分基于刺突蛋白、核衣殼蛋白和RNA 檢測SARS-CoV-2 的電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建方法及參數(shù)，可看出3 種類型電化學(xué)傳感器檢測SARS-CoV-2 的檢出限范圍跨度很大，部分電化學(xué)傳感器的靈敏度完全可媲美RT-PCR 的RNA 檢測，且縮短了檢測時間。因此，電化學(xué)傳感器更適用于現(xiàn)場快速篩選潛伏期患者，尤其是基于刺突蛋白的電化學(xué)傳感器，因其位于病毒表面，更易于檢測。而基于核衣殼蛋白和RNA 的電化學(xué)傳感器可對疑似患者進(jìn)行二次現(xiàn)場快速篩選，以輔助診斷COVID-19患者。

表3 基于RNA檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)傳感器Table 3 Electrochemical biosensors for detecting SARS-CoV-2 based on RNA

4 與其他方法的比較

目前，還有一些檢測SARS-CoV-2的其他生物傳感器方法［65-73］，如基于熒光檢測的生物傳感器、基于抗體檢測的電化學(xué)傳感器等。Kim 等［66］結(jié)合重組酶聚合酶擴(kuò)增（Recombinase polymerase amplification，RPA）技術(shù)設(shè)計了一種可快速檢測SARS-CoV-2的電化學(xué)生物傳感器，通過脈沖伏安法可檢出多個靶基因；Yakoh 等［67］基于橫向流動測定設(shè)計了一種無標(biāo)記的紙基電化學(xué)傳感器，可用于SARS-CoV-2 抗體的檢測；Gao 等［68］基于AuNPs 提出了一種比色/表面增強(qiáng)拉曼散射/熒光三模式生物傳感器，可在40 min內(nèi)快速選擇性檢測病毒的RNA。表4總結(jié)了近年電化學(xué)傳感器和RT-PCR 等檢測SARS-CoV-2方法的參數(shù)和性能對比，可看出RNA的檢測用時普遍高于電化學(xué)傳感器，且需要復(fù)雜、昂貴的專用設(shè)備。

表4 電化學(xué)法與常規(guī)SARS-CoV-2 檢測方法的比較Table 4 Comparison of electrochemical and conventional SARS-CoV-2 detection methods

經(jīng)典的RT-PCR 法通過提取RNA 進(jìn)行COVID-19 檢測，并憑借其高度敏感性和特異性成為診斷金標(biāo)準(zhǔn)，其檢測時長雖已減至約2 h［74-78］，但仍存在專業(yè)檢測設(shè)備昂貴、對人員專業(yè)技能要求高、檢測時間長等不足，且引物探針的設(shè)計對識別唯一靶序列的準(zhǔn)確性至關(guān)重要［79-80］。為進(jìn)一步縮短分析時長并降低檢測要求，大量學(xué)者在減少核酸擴(kuò)增時間方面進(jìn)行了相關(guān)研究［81-95］。如Vincent 等［96］提出利用快速循環(huán)光纖和反饋控制的激光加熱縮短PCR 的加熱周期，Xu 等［97］利用逆轉(zhuǎn)錄PCR 環(huán)介導(dǎo)的等溫擴(kuò)增（Reverse transcription PCR-LAMP，RT-LAMP）技術(shù)減少分析周期。但目前仍很少有核酸擴(kuò)增實驗被授權(quán)用于即時檢測［98］。

5 總結(jié)與展望

本文綜述了基于抗原和遺傳物質(zhì)RNA 檢測的電化學(xué)生物傳感器，此類傳感器通過直接測定SARS-CoV-2 對感染COVID-19 的患者進(jìn)行無創(chuàng)檢測。無論是確診患者，還是潛伏期患者，只要感染了SARS-CoV-2 病毒，基于抗原和遺傳物質(zhì)RNA 檢測的電化學(xué)生物傳感器即可對其進(jìn)行相關(guān)檢測以輔助COVID-19診斷。此外，電化學(xué)生物傳感器因具有響應(yīng)速度快、前處理步驟簡單、成本低等優(yōu)勢，被廣泛用于便攜式、小型分析設(shè)備的研發(fā)，但將其用于商業(yè)化應(yīng)用仍不成熟。例如，大部分電化學(xué)生物傳感器在檢測時均為恒定的實驗室條件，當(dāng)外界物理條件改變時，部分電化學(xué)生物傳感器的性質(zhì)會發(fā)生一定變化，穩(wěn)定性欠佳；同時，如何保證基于刺突蛋白、核衣殼蛋白等檢測的電化學(xué)生物傳感器在非潔凈環(huán)境中其微小結(jié)構(gòu)不受污染、不影響檢測結(jié)果也是亟需解決的問題。此外，由于臨床樣本的復(fù)雜性，電化學(xué)生物傳感器的檢測靈敏度相較于標(biāo)準(zhǔn)品（PBS 環(huán)境）有顯著差異。因此，對電化學(xué)生物傳感器進(jìn)行評價時還應(yīng)考慮臨床樣本感染等多種情況。

與作為金標(biāo)準(zhǔn)的RT-PCR 檢測方法相比，用于檢測SARS-CoV-2 的電化學(xué)生物傳感器主要以快速、便攜、低成本等為目的，少有對樣本的前處理步驟，導(dǎo)致大多電化學(xué)生物傳感器存在檢測靈敏度不高或穩(wěn)定性欠佳的不足，尤其是在病毒載量極低時無法正常檢出［99-100］。

未來，期望可以通過優(yōu)化檢測電極材料及反應(yīng)條件、修飾檢測探針等，以及與其他免疫檢測方法（如側(cè)向流免疫層析、膠體金、免疫熒光等）進(jìn)行多學(xué)科的交叉融合［101-105］，以研發(fā)可快速、準(zhǔn)確檢測SARS-CoV-2 病毒的成熟電化學(xué)生物傳感器，并將其商業(yè)化，從而對COVID-19 患者做到早發(fā)現(xiàn)、早隔離、早治療，盡早阻斷SARS-CoV-2病毒的傳播。