论文标题：Promising Solutions to Address the Non-Specific Adsorption in Biosensors Based on Coupled Electrochemical-Surface Plasmon Resonance Detection

论文链接：https://www.mdpi.com/2227-9040/13/3/92

期刊名：Chemosensors

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/chemosensors

导读

非特异性吸附 (NSA) 会严重干扰生物传感器在复杂样品中的性能，耦合电化学-表面等离子体共振 (EC-SPR) 技术为评估NSA提供了独特平台。本篇是罗马尼亚Alina Vasilescu团队撰写并在Chemosensors 期刊发表的文章，系统梳理了EC、SPR及EC-SPR传感器抑制污损的核心策略，以血液、血清和牛奶为例聚焦复杂基质应用，重点涵盖抗污涂层、NSA评估协议与通用功能化方案。近五年内EC传感器已涌现出新型肽类、交联蛋白膜及复合材料等涂层，受限于文献数量，SPR与EC-SPR的讨论延伸至2010年代初。研究表明，未来可开发导电性、厚度与官能团可调的抗污材料，结合高通量筛选、分子模拟与机器学习辅助评估将大幅扩充抗污材料库，同时利用生物受体或检测方法的独特传感机制也能有效削弱NSA对分析信号的干扰，研究旨在为该领域提供抗污设计参考，并期望推动EC-SPR生物传感器的深入研发。

研究过程和结果

非特异性吸附严重阻碍生物传感器应用，会降低检测各项性能，多种理化方法可用于抗吸附防护。电化学与表面等离子体共振联用检测优势突出，但目前缺少该联用体系抗吸附方案的系统综述。本文将依次分析吸附影响、机理、评估方式，再分类总结单一及联用传感器的抗污染策略，选取血清、牛奶典型复杂样本案例，梳理近年优质防污技术，探究技术商业化应用潜力。

1 生物传感器中的非特异性吸附

1.1 非特异性吸附对传感器信号的影响

非特异性吸附从干扰信号、阻碍特异性结合两方面损害生物传感器检测效果，易引发假阴性、信号漂移、数值偏差等问题。不同类型传感器受污染影响表现各有差异，单一检测方式无法精准判定吸附程度，需结合多种方法综合评估 (图1)。

图1. 污垢对生物传感器分析信号的影响，图中分别展示了：(A) E-AB生物传感器，显示了因污垢堆积和涂层溶解导致的信号随时间衰减 (表现为传感器漂移)；(B) 基于表面等离子体共振 (SPR) 检测的免疫传感器；以及 (C) 电化学 (EC) 酶生物传感器。

1.2 非特异性吸附机理及其应对策略

系统阐述了生物传感器非特异性吸附 (NSA) 的三大成因 (静电、疏水、氢键及范德华力) 及三层应对策略：样品层面：通过离心、稀释、过滤等预处理降低基质复杂度；相互作用层面：优化缓冲液 (添加表面活性剂、盐、蛋白质)、使用参考通道进行信号校正、或采用可被洗去的“瞬时”牺牲层；界面/涂层层面：采用“永久性”抗污涂层，通过形成水合层 (如聚乙二醇、两性离子材料)、产生空间位阻 (如致密长链分子) 和静电排斥 (如构建中性表面或使用牛血清白蛋白涂层) 三种机制协同抵抗污染 (图2；图3)。

图2. 生物传感器中非特异性吸附 (NSA) 的机制，以及通过以下三个方面来最大限度减少污染的主要策略：(1) 样品制备，(2) 样品组分与生物传感器界面之间的相互作用，(3) (涂层) 传感界面的性质。图中展示了通过以下方法降低非特异性吸附 (NSA) 的效果：对研究样品进行离心或过滤 (1，左下)，向样品中添加盐类、表面活性剂和/或蛋白质 (2a，中下)，使用缺乏生物识别元件的参考传感器 (2b，中下)，使用可随污堵物质一同去除的牺牲层 (2c，下图中央) 以及通过使用能够排斥污染物质的物质对传感器表面进行适当修饰 (3，下图右侧)。

图3. 防污涂层抵御NSA的主要机制，图中分别展示了 (a) 亲水表面，(b) 聚乙二醇 (PEG) 涂层表面，(c) 两性离子聚合物涂层表面，(d) 致密烷硫醇自组装单分子层 (SAM) 涂层表面，以及 (e) 带负电荷的表面 (例如，涂覆了一层交联牛血清白蛋白 (cBSA))。

1.3 评估非特异性吸附的方法

(1) 核心评估方法：SPR：实时、无标记定量蛋白质吸附 (精度达ng/cm²)，是抗污评估的“金标准”，缺点是涂层厚度需<70 nm。电化学方法：通过信号抑制百分比 (<5-10%为合格) 间接评估NSA。

(2) 辅助方法：QCM-D：同时测量质量和粘弹性变化；椭偏仪：测量涂层厚度和折射率；荧光显微术：可视化蛋白质/细胞吸附；接触角/Zeta电位：评估亲水性 (<25°) 和表面电荷 (中性为佳)；光谱方法 (XPS、核磁共振、拉曼/红外)：提供元素、水合结构、化学键等信息。

评估NSA需综合使用SPR、电化学、QCM-D等多种方法，注意各自局限，并在严苛条件下测试。

1.4 抗NSA涂层

为最小化生物传感器的非特异性吸附 (NSA)，理想的抗污涂层应具备亲水性、电中性和高负载能力，主要材料包括PEG/OEG (依赖水合层与空间位阻)、烷基硫醇 (致密SAM)、两性离子聚合物 (水合层+静电排斥)、抗污肽 (多功能但导电性差)、多糖 (需与其他材料联用)、BSA/cBSA (简便但易变性，cBSA可形成稳定三维结构并整合纳米材料) 及DNA基涂层 (聚腺嘌呤锚定)；评估NSA时，应使用不含受体的对照界面，在真实样品条件下测试，并通过与标准方法平行分析来验证抗污策略的有效性。

2 降低电化学生物传感器中非特异性信号的解决方案

电化学生物传感器抗污主要依靠物理限制、抗污涂层 (烷基硫醇、cBSA-纳米材料、两性离子材料、抗污肽等) 和瞬时涂层三类策略，折叠式E-AB传感器通过动力学差分测量进一步减少NSA影响，未来需扩大真实样本验证规模，并借助机器学习开发更稳定的涂层。

3 降低SPR生物传感器的非特异性吸附 (NSA) 的解决方案

SPR生物传感器的抗污依赖“智能层”设计 (DNA四面体、聚腺嘌呤、两性离子刷、脂质层等)，功能化后抗污能力可能改变，需针对具体样品基质定制方案，并结合机器学习等工具辅助数据解释。

4 耦合电化学-表面等离子体共振生物传感器中非特异性吸附的最小化方案

EC-SPR生物传感器通过结合电化学与SPR实现信号放大和互补信息获取，抗污主要依赖烷基硫醇SAM、cBSA薄膜或可移除脂质层；P-EIS/P-EIM对NSA的敏感性因信号导出方式而异，而法拉第方法 (隐形膜、纳米开关、氧化还原探针放大) 可实现未稀释样品中飞摩尔级检测，但抗污涂层选择仍需针对具体应用优化。

总结

EC-SPR生物传感器结合电化学与SPR技术，在小分子检测、高通量分析和细胞监测等方面优势明显，其电光信号机制既能提高灵敏度和分辨率，又能减轻非特异性吸附干扰。非法拉第方法 (P-EIS/P-EIM) 提供互补信息、扩大检测范围；结构转换生物受体可区分特异与非特异响应；电话性探针则能有效放大SPR信号。

但目前EC-SPR用于真实样品分析的研究仍不足，数据难以横向比较。虽有多种抗污材料 (如两性离子聚合物、抗污肽、PEG、cBSA等) 在单一检测中表现良好，但在联用系统中的评估仍有待系统开展。未来，机器学习将加速新材料开发，建立标准化评估方法 (如pH/盐响应、负载能力、可扩展功能化) 是商业化的关键。基于聚腺嘌呤或肽-DNA偶联的“通用”功能化方案前景广阔。结合体内测量进展和E-AB传感器等工具的商业化潜力，将纳米开关与eNanoSPR等设备集成，有望实现无干扰检测，推动EC-SPR技术从实验室走向实际应用。

Vasilescu, A.; Gáspár, S.; Gheorghiu, M.; Polonschii, C.; Banciu, R.M.; David, S.; Gheorghiu, E.; Marty, J.-L. Promising Solutions to Address the Non-Specific Adsorption in Biosensors Based on Coupled Electrochemical-Surface Plasmon Resonance Detection. Chemosensors 2025, 13, 92.

Chemosensors期刊介绍

主编：Nicole Jaffrezic-Renault, CNRS/University of Franche-Comté, France; Jin-Ming Lin, Tsinghua University, China

期刊范围涵盖化学传感理论；机理和检测原理；开发、制造技术；化学分析方法在食品、环境监测、医药、制药、工业、农业等方面的应用。

2025 Impact Factor：4.4

2025 CiteScore：8.1

Time to First Decision：19.8 Days

Acceptance to Publication：3.7 Days