科学网—AMR Account｜迈向自主化电化学传感体系：免校准与长时稳定技术的进展与挑战-材料研究述评（英文）的博文
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2026-7-6 10:09
| 个人分类: AMR Account | 系统分类: 论文交流
近日，中国地质大学（武汉）李辉教授和李少光教授 团队的 AMR 述评文章“Toward Autonomous Electrochemical Sensing: Advances and Challenges in Calibration-Free and Long-Duration Technologies”在线发表。文章系统总结了免校准电化学传感领域的最新进展，梳理了实现免校准操作的信号层面与界面层面的关键策略，阐明其设计原理及应用场景，讨论了该领域面临的关键挑战与未来机遇，以推动免校准技术向更稳健、真正自主化的电化学传感发展。
关键词： 电化学传感器；免校准检测；信号编码策略；界面稳定化策略；复杂生物体系；原位长期监测
原文提要： “Calibration-free electrochemical sensing has emerged as a transformative framework for achieving reliable, autonomous molecular measurements in complex biological environments. Rather than relying on external calibration curves, this paradigm embeds a self-referencing mechanism directly into the sensing architecture, either through signal designs that inherently compensate for interfacial perturbations or through interfaces engineered to minimize such perturbations at their molecular origin.”
电化学传感器因其高灵敏度、良好的电子兼容性以及在微型化与可穿戴系统中的适配能力，在生物医学检测与动态分子监测中具有重要应用前景。然而，在复杂生物环境中，其定量准确性与长期稳定性仍受到器件间差异、界面持续演化以及探针解吸或降解等因素的共同限制，使得传统依赖外部校准的测量模式难以在真实应用场景中长期保持可靠性。如图所示，这一挑战推动了“免校准电化学传感”作为新兴研究对象的发展，其核心策略在于通过信号编码设计与界面稳定化设计，实现对外部校准依赖的系统性替代。
为了实现这一目标，免校准策略从两个研究方向进行展开：在信号层面，通过双报告分子比率型设计以及基于波形、时间与频率解析的单报告分子策略，将电学信号转化为内参化或差分化输出，从而在信号读出层面抑制器件差异与环境漂移的影响；在界面层面，则通过氧化还原探针稳定化、自组装单分子层调控、抗生物污染界面构筑以及核酸结构工程等手段，从源头处降低信号漂移与界面重构的影响。
在本述评中，我们系统总结了免校准电化学传感领域的最新进展，重点强调来自我们研究团队的代表性贡献。我们梳理了实现免校准操作的信号层面与界面层面的关键策略，阐明其设计原理及应用场景。特别关注其在体外复杂基质（包括尿液、血清与全血）、可穿戴检测平台以及植入式器件中的代表性工作。最后，我们讨论了该领域面临的关键挑战与未来机遇，以推动免校准技术向更稳健、真正自主化的电化学传感发展。
02
AMR ：您选择该领域的初心是？
作者团队：
我们选择该研究方向的初衷，源于电化学传感在生物医学检测中的广泛应用潜力与其在复杂真实环境中长期稳定性不足之间的根本矛盾。尽管该类传感器具有高灵敏度与良好的适配性，但其测量结果高度依赖外部校准，并易受到界面漂移与器件差异的影响，从而限制了其在长期、动态生理环境中的可靠应用。因此，我们逐渐意识到问题的关键在于，需要打破依赖外部校准的稳定定量关系，并建立在器件差异与界面演化存在情况下仍可保持鲁棒性的测量机制。在这一问题驱动下，我们聚焦于通过信号设计与界面工程的协同策略，探索免校准电化学传感体系的构建，以期推动该领域从“校准依赖型测量”向“内在稳定的自主化传感”转变。
03
AMR ： 请和大家分享一下这个领域可能 会出现的研究机会！
作者团队：
未来，该领域的重要研究机会在于进一步发展多维信号编码与界面稳定化协同策略，以提升免校准电化学传感在复杂动态生理环境中的长期鲁棒性。例如，将时间、频率与波形解析等多维信号策略与机器学习方法结合，实现对复杂干扰背景下信号的稳定解耦与可靠读出；在界面层面发展具有长期抗污染与抗漂移能力的分子与材料体系，以进一步提升在体内外复杂生物环境中的持续工作稳定性；同时，在可穿戴与植入式传感的应用方面，重点推动微针、柔性/植入式界面与连续监测系统的深度融合，实现长期、低侵入式、无校准依赖的实时分子监测。这些方向将共同推动电化学传感从实验室条件下的高精度检测，迈向真实生理环境中的长期自主化应用。
04
AMR ：您对该领域的人才培养有何种倡议？
作者团队：
我们认为，该领域的人才培养应更加注重跨学科融合与系统性思维的塑造，而不仅局限于单一技术能力的训练。免校准电化学传感涉及信号设计、界面化学与复杂生物环境之间的深度耦合，因此研究者需要具备从“器件性能优化”走向“整体测量机制构建”的认知能力，同时强化对真实应用场景的理解与问题驱动研究能力。通过在复杂体系中不断发现并解决不确定性问题，逐步形成面向实际需求的创新思维与工程化视野，从而推动该领域持续向自主化与应用化方向发展。
作者团队简介
靖乐 ，现为上海交通大学化学化工学院博士后。2023年于中国地质大学（武汉）获得博士学位，师从夏帆教授与李辉教授。研究方向主要聚焦于多种癌症相关新型生物标志物的发现，以及精准诊断生物传感器的构建。共发表学术论文14篇，其中以第一作者于 Analytical Chemistry 、 Accounts of Materials Research 等期刊发表文章9篇，总引用300余次，申请中国发明专利7项（已授权4项）。
李芊芊 ，中国地质大学（武汉）博士研究生。2022年本科毕业于中国地质大学（武汉），随后进入李辉教授课题组攻读博士学位。目前研究方向主要聚焦于基于纳米孔的生物传感技术及其在生物分子检测中的应用。
李少光 ，中国地质大学（武汉）材料与化学学院教授，博士生导师。其主要研究方向为功能核酸及其在生物分析与成像中的应用，重点探索核酸分子在复杂生物体系中的识别与检测。近年来围绕相关方向开展系统性研究，以第一作者或通讯作者在 Chem. Rev. 、 Angew. Chem. Int. Ed. 、 Chem. Sci. 、 Anal. Chem. 等国际核心期刊发表论文50余篇，获得国际发明专利2项。参与多项国家及国际合作研究项目，并主持国家自然科学基金青年项目及面上项目。
李辉 ，中国地质大学（武汉）材料与化学学院教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，入选中国地质大学“地大百人”学者。长期从事电化学生物传感与分析化学相关研究，在疾病诊断与健康监测相关的复杂生物体系分析中开展系统性工作。以第一作者或通讯作者在 J. Am. Chem. Soc. 、 Angew. Chem. Int. Ed. 、 Chem. Sci. 、 Anal. Chem. 等国际核心期刊发表论文70篇，总引用1000余次，并获授权美国发明专利2项、中国发明专利10余项。
夏帆 ，中国地质大学（武汉）副校长、教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，青年973首席科学家。长期从事纳米孔道生物分析与电化学生物传感研究，围绕复杂生物体系中的分子识别机制与纳米限域传输规律开展系统性工作，建立了纳米孔道内外表面协同调控的分析方法体系。迄今发表论文350余篇，总引用18000余次。其研究成果发表于 Nat. Protoc. 、 Nat. Rev. Chem. 、 Nat. Commun. 、 Sci. Adv. 等国际顶级期刊，并在分析化学与纳米生物传感领域形成持续国际影响力。
扫码阅读李辉教授和李少光教授团队的精彩Account文章：
Toward Autonomous Electrochemical Sensing: Advances and Challenges in Calibration-Free and Long-Duration Technologies
Le Jing, Qianqian Li, Shaoguang Li*, Hui Li*, and Fan Xia
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.6c00038
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