综述：用于测定三磷酸腺苷的生物传感策略

《Biosensors and Bioelectronics: X》：Biosensing Strategies for determination of Adenosine-5'-Triphosphate

本综述系统梳理了ATP生物传感器的最新进展，重点对比了电化学与光学传感技术的性能。文章详细阐述了基于适配体、酶和纳米材料的传感策略，及其在生物医学、食品检测等领域的应用，突出了高灵敏度（检测限达fM级）、高选择性及实时分析等优势，并对未来便携式、多靶点检测技术的发展方向进行了展望。

　　

电化学ATP生物传感器

电化学技术因其高精度、低成本、操作简单和优异的选择性，在ATP检测方法中比其它方法更具优势。电化学方法分为安培型、阻抗型、伏安型和电位型。电化学ATP生物传感器的传感元件是电化学电池，其核心在于将生物识别事件转换为可测量的电信号。

安培型ATP生物传感器通过测量传感器输出电流来检测分析物。基于新型材料和适配体的生物传感器提供了最低的ATP检测限。例如，Changtong Wu等人开发了一种使用多通道金微电极的电化学适配体生物传感器，其对ATP的检测限达0.30 × 10^-9M，并在合成脑脊液中表现出优异的选择性和可重复性。虽然双酶（如己糖激酶和葡萄糖氧化酶）生物传感器响应快速，但由于酶稳定性和储存时间等因素导致的性能损失，其在可靠性方面存在劣势。当前最前沿的方法，如金属-有机框架（MOF）基传感器，展示了极低的检测限（0.046 pg/mL）和快速的分析时间，代表了快速诊断技术的未来。因此，无需酶且具有多通道结构的适配体和MOF基生物传感器，因其高稳定性、强选择性和卓越的灵敏度，成为ATP检测的重要方向。

阻抗型ATP生物传感器非常适用于基于亲和力的生物传感器系统，因为它只关注分析物与表面的结合，无需任何标记、其他电活性分子或生化转化。基于氧化钨（WO₃^-Li⁺）的系统、还原氧化石墨烯碳纳米纤维（GO-CNF）和聚多巴胺-银纳米簇（PDA-Ag）等抗污染设计已被研究用于ATP检测。尽管WO₃^-基系统读取快速简便，但在抗污染领域的检测范围和灵敏度方面存在劣势。而GO-CNF和PDA-Ag基研究显示出高灵敏度，但其合成成本高且难度大。相比之下，混合材料因其提供无酶ATP定量、抗污染特性和多通道结构，为稳定、有效和快速的分析技术奠定了基础。

伏安型生物传感器通过与多传感器系统联用，能够快速、准确、可靠地确定复杂样本的关键化合物浓度。在大多数伏安生物传感器中，使用适配体/DNA基、酶基或多功能材料支撑系统实现了灵敏可靠的ATP检测。例如，基于DNAzyme的方法显示出极好的检测限和高选择性，但由于其多步骤性质，在实际应用中存在劣势。虽然使用PDA-Ag和GO-CNF等表面修饰提高了在各种生物样品中的选择性，但也增加了合成的复杂性和生产成本。当前的研究，如混合纳米结构系统和MOF，在ATP检测中展示了高灵敏度、快速分析和对生物污染的耐受性，凸显了这些材料的可靠性。

光学ATP生物传感器

光学检测基于测量特定分析物与探针之间发生的化学或生化反应的光响应。这些方法利用生物化学工具进行光学测量。光学生物传感器除了传统的表面增强拉曼散射（SERS）等技术外，还基于测量电化学发光、荧光、荧光测定、比色法、发光等技术。

电化学发光（ECL）ATP生物传感器将电化学和光谱方法无缝结合，实现了高灵敏度的ATP定量。例如，基于CRISPR-Cas12a辅助切割活性的ECL生物传感器，检测限低至1.9 nM。基于适配酶和杂交链式反应（HCR）的ECL传感器，检测限可达38.2 fM。而基于三维分子行走纳米机器和TiO₂/Ag-ABEI纳米颗粒的ECL传感器，检测限为0.5 nM。这些系统利用高效的信号放大策略，但复杂的电极修饰和较长的分析时间限制了其实际应用。

比色法ATP生物传感器因其低成本、操作简单和肉眼可视性而备受关注。例如，基于金纳米颗粒（AuNPs）抗聚集原理的适配体传感器，检测限为1.7 nM。基于DNAzyme的传感器，检测限为0.33 nM。近年来，CRISPR-Cas12a与葡萄糖氧化酶（GOx）偶联的双酶级联放大系统也被用于ATP的比色检测，检测限为2.5 μM。这些方法通常基于DNAzyme辅助、CRISPR-Cas12a和AuNP系统，因其低成本、短检测时间和裸眼检测能力而突出。然而，尽管检测限较低，许多方法由于复杂的制备过程和冗长的分析时间，在实际应用中仍受限。

荧光ATP生物传感器利用生物识别元件（如适配体）与荧光团结合，将ATP结合事件转化为荧光信号的变化，具有高灵敏度和高选择性。基于石墨烯氧化物（GO）和链置换放大（SDA）的传感器，检测限为33.85 nM。基于环化酶扩增的传感器，检测限为0.88 nM。而基于CoOOH纳米片和碳点的传感器，检测限为4.0 nM。荧光生物传感器已发展到可检测pM–nM水平的ATP，特别是与DNA扩增策略结合时。然而，一些方法在有效区分ATP与结构相似的分子（如ADP和AMP）方面仍面临挑战，并且大多数报道的荧光生物传感器由于复杂的探针设计和延长的分析时间而实用性有限。

拉曼发光ATP生物传感器

表面增强拉曼散射（SERS）是一种快速发展的光谱技术，具有低成本、简单、高精度和样品制备量少等优点。例如，Chunyang Zhou等人开发了一种基于GO/Au₃纳米片和Au纳米颗粒的SERS技术，用于高精度的ATP检测，检测限达0.85 pM。另一种基于金纳米星@拉曼标记@SiO₂核壳纳米颗粒的SERS适配体传感器，检测限为12.4 pM。

生物发光和化学发光也用于ATP检测。生物发光基于萤光素酶-萤光素系统，通常用于细胞活性检测，虽然检测限相对较高（例如5 μM），但具有快速、低成本的优势。而基于钌（II）配合物的发光方法，检测限可达9 pM，显示出高选择性。SERS和发光生物传感器在信号放大、低检测限和高选择性方面具有显著优势，但SERS基传感器受限于复杂的纳米粒子合成和实验室基础设施要求，而发光传感器则受限于相对较高的检测限和酶稳定性问题。

结论与展望

ATP生物传感器在生物医学研究、食品安全和临床诊断等多个领域具有至关重要的应用价值。电化学和光学传感技术各自在灵敏度、选择性、成本和分析速度方面展现出独特的优势。当前的研究趋势表明，未来的ATP检测策略将更加侧重于开发更简单、便携、快速且适合多靶点检测的平台，以满足实时、现场检测的需求。克服酶稳定性、复杂样品中的干扰以及设备微型化等挑战，将是该领域未来的重点研究方向。随着纳米技术、人工酶系统和多重生物标志物检测技术的进步，ATP生物传感器有望在疾病早期诊断、环境监测和食品加工过程控制等方面发挥更大作用。