《Talanta》：Recent Advances in Fluorescent and Colorimetric Detection of Creatinine in Physiological Samples: The Mechanistic Approach
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本文系统综述了基于荧光传感器的肌酐检测技术进展，重点分析化学配体、氢键作用、络合物形成及金属离子介导四大检测机制，探讨有机染料、纳米材料等新型荧光探头的优势，并指出传统方法存在灵敏度低、选择差等问题，强调荧光传感在便携式检测和临床诊断中的潜力。
Sweety Kataria | Gagandeep Kaur | Mandeep Kaur | Divya Sareen
印度哈里亚纳邦古鲁格拉姆SGT大学基础与应用科学学院化学系，邮编122505
摘要
由于肾脏功能障碍在全球范围内普遍存在，因此对其的有效和及时筛查至关重要。疾病早期症状的不明显使得情况更加严峻。因此，迫切需要开发出高度准确、灵敏和特异性的检测探针，以识别肾脏疾病的生物标志物，从而实现早期诊断。目前已知有多种用于检测肾脏疾病的生物标志物，其中肌酐可能是使用最广泛的。血液和尿液等体液中肌酐的含量可以直接反映肾脏疾病的进展。因此，它可以用于侵入性和非侵入性检测任何阶段的肾衰竭。从传统的Jaffe方法来看，肌酐的检测在技术和试剂使用方面都取得了长足的进步。荧光技术因其简单性、准确性、快速性、成本效益和灵敏度等优点而成为一种有前景的工具。目前正利用多种荧光物质，如有机染料、纳米颗粒、纳米片层、量子点和MXenes等。本综述通过分析不同的机制方法（包括化学量计法、氢键结合、复合物形成和金属离子介导的方法）来总结肌酐检测领域的最新进展。
引言
慢性肾脏疾病（CKDs）在全球范围内非常普遍，导致严重的发病率和死亡率，并给医疗系统带来巨大的经济负担[1]，[2]。据估计，全球约有12-15%的人口受到影响[3]。预计到2030年和2040年，它将分别成为全球第13大和第5大死亡原因[4]。尽管有先进的诊断技术，但其预后仍然较差，主要原因是患者在CKD发病初期或早期没有明显的症状，通常直到晚期才被诊断出来[5]。因此，及时诊断CKDs对于显著控制其发生、进展和死亡率至关重要。传统上，CKDs通常通过血液检测、尿液分析、肾脏成像等临床检查来诊断[6]。肾脏负责清除生理废物，尤其是含氮废物，从而维持体内平衡。因此，任何肾脏功能障碍都会导致废物（尤其是肌酐和尿素）在体液中的积累。这些分子传统上被认为是肾脏功能障碍的重要代谢生物标志物，与蛋白尿一起提供了关于肾脏疾病进展的早期信息[7]，[8]。一个好的CKD生物标志物应该容易在血液和尿液等常见体液中检测到，健康状态和疾病状态之间有明显的区别，并且易于识别[9]。最近，越来越多新型的分子生物标志物被用于CKDs的检测，如胱抑素C、肾损伤分子-1（KIM-1）、N-乙酰-β-D-葡糖胺酶（NAG）、中性粒细胞明胶酶相关脂钙素（NGAL）等[8]，[10]。尽管这些标志物在可靠性和灵敏度方面更优，但由于成本高昂且难以大规模生产，使用并不广泛[11]。尽管有多种CKD生物标志物可供选择，但肌酐仍然是使用最广泛的。肾小球滤过率（GFR）被认为是评估肾功能的标准方法，需要测量血清肌酐水平[12]，[13]。
肌酐的化学结构为2-氨基-1-甲基-5H-咪唑啉-4-酮，是肌肉中肌酸代谢的最终废物[14]，[15]。它每天产生的速度约为2%，并通过尿液由肾脏排出[16]，[17]。它在血液、尿液和唾液等体液中的正常浓度分别为45-110 μM、2.5-25 mM和8.8-26.5 μM。除了作为肾脏损伤的生物标志物外，尿液和血液中的肌酐水平还反映了甲状腺和/或肌肉功能障碍。因此，开发新型、简单且经济的检测方法，以高选择性和灵敏度准确快速地检测肌酐具有重要意义。
Jaffe方法在临床环境中被广泛使用，该方法在碱性介质中使用苦味酸作为试剂与肌酐形成橙色复合物[18]，[19]。这种比色法因其低成本和简单性而受到重视，但选择性、灵敏度和准确性较低，且使用具有爆炸性和毒性的苦味酸作为试剂。其他标准方法包括色谱法和基于酶的技术。这些传统方法也存在许多局限性，例如重复性低、灵敏度低、受其他生物代谢物干扰等。基于酶的传感器由于变性而稳定性较低且价格昂贵。新的方法越来越多地被采用，如电化学[20]，[21]、光谱学（NMR、IR、质谱）[22]，[23]，[24]、安培法[25]、HPLC[26]，[27]、电位法[28]、电泳[27]、分子印迹（MIP）[29]、电导法[30]、分光光度法[31]、化学发光[32]和阻抗法[33]。这些方法都提供了理想的优点，并能获得满意的结果，但其中一些方法需要昂贵、笨重和复杂的仪器以及受过培训的人员，而且相对耗时[34]。特别强调开发小型简单的传感器，以便患者自己使用，实现即时检测（POC）[35]，[36]。分光光度法或光学传感器（比色法和荧光法）正在被广泛研究，以获得理想的结果。它们因其成本效益、简单性、高灵敏度和特异性、快速性以及所需样本量小等优点而受到重视[37]，[38]。所使用的各种荧光系统包括有机染料、荧光蛋白、纳米材料、量子点（QDs）和MXenes等。由于纳米材料具有化学多样性、可调的表面体积比、超细尺寸、良好的光学和发光性能、高的量子产率、增强的光稳定性和生物相容性以及高吸收性等优点，其应用显著增加[39]。
已有许多关于各种CKD生物标志物检测的综述，讨论了传统的和现代的分子方法，包括基于纳米技术的方法[40]，[41]，[42]。其中许多综述专门讨论了肌酐的检测[43]，[44]，[45]。也有关于基于荧光的CKD生物标志物检测的综述[38]，[46]，但专门讨论肌酐光学检测的报道非常少[47]。本综述专注于肌酐光学检测的最新进展，即荧光法和比色法，以及用于识别的不同机制方法。根据与肌酐的关键相互作用机制，这些传感器被大致分为四类：化学量计法、氢键结合、复合物形成和金属离子介导的（图1）。需要注意的是，有些情况下可能存在重叠或协同机制，例如氢键结合与复合物形成或金属离子配位同时发生。这些情况根据主要负责肌酐识别的机制进行分类。据我们所知，此前没有综述按照机制识别模式对光学肌酐探针进行分类。因此，本综述可以为未来的研究人员提供设计更好肌酐传感器的机制见解。
基于化学量计的检测
通过不可逆的化学反应识别分析物的分子探针称为化学量计。根据负责检测的反应类型，这种方法可以分为两类。第一类基于Jaffe化学中的缩合反应，如前所述，这是商业层面检测肌酐的主要方法。第二类基于共价加合物的形成
基于氢键的检测
在中性/接近中性的pH值下，肌酐通常以两种不同的中性互变异构形式存在，即亚氨基形式和氨基形式，后者相对更稳定。在碱性pH值下，氨基互变异构体可以进一步互变异构为其碳负离子或氧负离子形式（方案6）。这些中性或阴离子互变异构体能够与适当取代的分子形成强氢键，从而实现有效结合。因此，这种方法被广泛用于开发有效的探针
基于复合物形成的检测
尽管氢键是肌酐分子与设计的有机探针（无论是分子形式还是材料形式）之间主要的非共价相互作用，但在某些情况下也会发生其他类型的复合物形成。已有报道指出，一些探针可以直接与肌酐形成复合物[84]，[85]。在这种情况下，CuNC基传感器被广泛使用[86]，[87]，[88]。
金属介导的检测
肌酐通过与金属离子的路易斯碱-酸相互作用的能力是一种独特的特性，被用于选择性和灵敏地检测肌酐。这种方法包括两种估算肌酐的方法：
a)金属置换法
b)协同配位法
结论与未来展望
CKDs的日益普遍使得设计和开发简单探针以早期预测其病情变得必要。肌酐已被证明是评估肾脏功能的重要指标。本综述涵盖了用于特异性检测肌酐的比色法和荧光法探针的显著进展。各种探针根据其检测原理进行了分类和讨论
CRediT作者贡献声明
Sweety Kataria：撰写原始草稿、进行研究、进行正式分析。
Divya Sareen：撰写和编辑、验证、监督、进行正式分析、概念化。
Mandeep Kaur：撰写和编辑、验证、监督、进行正式分析。
Gagandeep Kaur：撰写原始草稿、进行研究、进行正式分析
数据可用性
数据可应要求提供。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
SK感谢印度古鲁格拉姆SGT大学提供的研究奖学金。MK和GK感谢DBT Star Status Scheme（批准号HRD-11012/4/2022-HRD-DBT）提供的财务支持。
