丝网印刷电极在生物检测中的研究进展

目录TOC\o"1-3"\t"摘要,1"\h20911摘要 绪论丝网印刷电极原理与结构丝网印刷电极（SPE）作为极具产业化前景的创新型电化学传感平台，凭借低成本、易规模化生产的显著优势，在传感领域崭露头角。它的工作原理如REF_Ref6618\h图1所示，基于经典的电化学检测机制，核心在于通过电极表面发生的特异性氧化还原反应，将目标分析物的化学信号精准转换为可定量测量的电信号。在实际应用中，SPE利用丝网印刷工艺将特制导电油墨涂覆于绝缘基底，构建出特定图案的电极结构，不仅能大幅增加电极与分析物的有效接触面积，还可通过灵活调整油墨成分与印刷参数，实现对不同目标物质的高效精准检测。化学信号化学信号电信号氧化还原图SEQ图\*ARABIC1丝网印刷电极工作原理这一转换过程涉及到了三个关键环节。第一是界面识别反应的起始阶段，待测的目标分析物，比如葡萄糖分子，会逐渐扩散至工作电极表面，与提前修饰好的识别元件——葡萄糖氧化酶，发生特异性结合反应。以葡萄糖检测过程来说，葡萄糖氧化酶会发挥催化作用，促使葡萄糖发生氧化反应，生成过氧化氢；在这个关键的生化反应过程中，同时还伴随着电子的转移，为后续电信号转换奠定基础。第二是信号转换环节，在反应中生成的过氧化氢在工作电极表面发生电化学氧化，反应过程中释放的电子经电极材料传导到外电路形成电流信号。在这个转换过程中，电子转移效率和检测灵敏度是紧密相关的，直接影响到检测结果的准确性。与此同时，电极表面特殊设计的纳米结构，例如多孔碳材料构建的丰富孔隙，能够大幅拓展有效的反应面积，显著提升电子转移效率，进而大大增强传感器对目标分析物的响应能力。第三是信号输出环节，外电路对过程产生的电流信号（或电位变化）进行精确测量。这些电信号的强度与目标物的浓度紧密相关，呈现出一个稳定的定量关系。为了获取更为精准的检测数据，科研人员通常采用差分脉冲伏安法（DPV）、计时安培法等专业技术手段。这些方法就像敏锐的“电子眼睛”，能够捕捉到极其微弱的信号变化，实现高精度信号采集。在实际应用中，研究人员借助这些先进检测技术，SPE传感器的检测限甚至可以低至皮摩尔（pM）级别，即使是极微量的目标物质，也能被精准识别和检测出来。在丝网印刷电极（SPE）的检测体系中，整个流程呈现出"分子识别-电子转移-信号输出"的级联放大特性。从分子层面来看，当目标物与电极表面修饰的特异性物质结合后，触发电子转移过程；产生的微弱电信号经过一系列传导与转换，实现显著放大。值得注意的是，电极表面精心设计的化学修饰结构，比如均匀分布的纳米金颗粒，不仅能极大提升反应活性，还可以有效地加快电子传导速率。实际的应用表明，经过此类修饰的SPE电极，检测灵敏度相比传统电极实现了2-3个数量级的跃升。这种高效并且精密的信号转换机制，就是SPE能够实现高精度、高灵敏检测的核心优势，也让其在复杂样品分析与快速检测领域展现出强大的应用潜力。丝网印刷技术属于厚膜技术的一个重要分支，它的历史源远流长。根据史料考证，这项工艺最早可追溯到中国宋代，在当时已经广泛应用到织物印染与工艺品制作当中。在古代文明遗迹中，也能发现丝网印刷的独特印记——中国长城的部分彩绘装饰，以及古埃及色彩斑斓的织物图案，都暗含着这项技术的早期雏形。到了20世纪50年代，丝网印刷技术开始与电化学领域深度结合，产生了丝网印刷电极（SPE）。早期的丝网印刷电极主要以碳糊材料作为工作电极，这种简易而实用的设计，虽看似粗糙，但是却为后来电极材料的创新和性能提升积累了宝贵的经验，为丝网印刷电极在分析检测领域的蓬勃发展奠定了坚实基础。然而，由于检测原理也相对基础，最终的检测效果看起来都不是很好REF_Ref10987\r\h[1]。随着研究的慢慢深入，研究人员发现通过引入电子媒介体这个方式，可以显著改善电极的电子传递效率REF_Ref29892\r\h[2]。近些年来，纳米材料的引入为SPE的检测性能带来了革命性提升。通过精心设计的纳米结构，使用碳纳米材料、金属氧化物纳米材料和金属纳米材料修饰丝网印刷电极，可以有效地改善电极性能，使得检测灵敏度、稳定性和选择性得到显著提升REF_Ref30055\r\h[3]。特别值得一提的就是，随着生物识别元件（如酶、抗体、核酸和蛋白质等）的引入，丝网印刷电极在特异性检测方面展现出了独特的优势REF_Ref30124\r\h[4]。丝网印刷工艺的三个重要特征使它成为一种有吸引力的制造技术：（1）控制电极面积、厚度和成分的能力。(2)可以获得可重复的结果并进行统计学验证。(3)几乎任何材料，例如生物相容性材料，例如碳、金属纳米颗粒、聚合物，都可以并入丝网印刷工艺中。SPE的结构演变经历了从简单到复杂的发展过程。最初的SPE采用单层碳浆印刷结构，功能是相对单一的。随着应用需求不断地提高，逐渐发展成为包含工作电极（WE）、参比电极（RE）和辅助电极（AE）的体系，各电极与对应的引线相连，以此组成经典的电化学三电极体系结构REF_Ref30235\r\h[5]，其结构如REF_Ref6488\h图2所示。SPE的工作过程主要依赖于其三电极系统的协同作用，工作电极负责发生目标反应，参比电极提供稳定的电位基准，辅助电极则完成电流回路。这种设计使得SPE既保持了传统电化学检测的准确性，又具备了更好的稳定性和重现性REF_Ref30091\r\h[6]。在材料选择上，早期的基底材料以刚性陶瓷为主，后来逐渐发展出柔性聚合物基底，大大拓展了SPE的应用场景REF_Ref30271\r\h[7]。辅助电极（对电极）参比电极工作电极辅助电极（对电极）参比电极工作电极图SEQ图\*ARABIC2三电极系统通常在电化学测量中，测量以下参数中的一个或多个：电位(E)、电流(i)、电荷(Q)和时间(t)。在电分析领域，通过测量电活性物质的氧化态（氧化或还原）的变化（法拉第电流），使用伏安法和安培法等各种方法来检测一系列分析物，该变化与分析物的浓度成正比REF_Ref30421\r\h[8]。以几种方式绘制不同的上述参数，形成导出信息的基础。SPE的多功能性使其能够用于采用以下技术的电分析系统：(1)安培法，其中测量输出电流的变化REF_Ref30457\r\h[9]；(2)伏安法技术，例如差分脉冲伏安法(DPV)REF_Ref30489\r\h[10]、方波伏安法(SWV)REF_Ref30529\r\h[11]、循环伏安法(CV)和线性扫描伏安法(LSV)REF_Ref30568\r\h[12]、电位法REF_Ref30597\r\h[13]；(3)阻抗谱REF_Ref30623\r\h[14]。感兴趣的分析物根据其氧化还原电位在工作电极表面被氧化或还原REF_Ref30649\r\h[15]。这些技术用于研究样品中分析物的浓度，通过产生可读信号REF_Ref30676\r\h[16]来了解所研究分析物的电化学行为，该信号与样品中化合物的浓度成正比REF_Ref30708\r\h[17]。电化学传感器电化学传感器是一种独立的设备，能够提供关于测试样品中化学物质浓度的实时分析信息REF_Ref31015\r\h[18]。化学传感器主要由两部分组成：一部分通过与分析物相互作用进行识别，另一部分用于将这种相互作用转化为可读信号，即转导。识别或传感元件必须对目标分析物敏感且具有特异性，它由不同的单元组成，这些单元被称为识别受体。在电化学传感器和生物传感器的各个类别中，已经报道了利用各种换能器和检测技术的多种策略。电化学传感器被视为生物医学、制药和环境应用领域中现场、原位监测和即时检测的理想选择，它无需常规分析测量中的预处理和清洗步骤REF_Ref31045\r\h[19]。生物传感器生物传感器是一种独立的集成设备，它能够利用与电化学转导元件直接空间接触的生物识别元件（例如蛋白质、细胞、抗体、组织、核酸、酶或受体等）提供特定的定量或半定量分析信息REF_Ref31015\r\h[18]。从电位法、安培法、电导法、阻抗法到场效应法等多种电化学技术已来测定各种类型的分析物REF_Ref31015\r\h[18]，进而得到数据来进行分析，如REF_Ref22984\h图3所示。生物传感器市场正在迅速增长，特别是血糖传感器，2018年其收入达到128亿美元，这表明丝网印刷电极（SPE）在电化学设备中的可行性。SPE提供了一种直接测量各种分析物的方法，例如使用溶出伏安法测定重金属、乳酸、葡萄糖等REF_Ref31192\r\h[20]。理想的基于SPE的化学传感器应具有以下特性：（i）价格低廉；（ii）便于携带；（iii）操作简有良好的选择性，并且可以为所需分析物产生可量化的信号输出。随着现代检测领域对时效性和准确性要求的不断攀升，为了满足对快速精准检测的需求，突破传统电极在响应速度和检测精度上的技术瓶颈，国内外科研团队正致力于研发具有高灵敏度、高选择性的新型生物传感器。分析物生物识别原件信号转换电流电位电容电导数据分析抗体核酸蛋白质酶适体分析物生物识别原件信号转换电流电位电容电导数据分析抗体核酸蛋白质酶适体细胞图SEQ图\*ARABIC3电化学生物传感器工作流程

用于生物检测的丝网印刷生物传感器酶修饰的丝网印刷电极2.1.1原理​在生物传感器的发展历程中，电化学酶生物传感器（又称酶电极），凭借其独特的优势，成为了一类发展相对成熟且应用广泛的传感器类型。目前它已在健康监测、环境检测和食品分析等多个重要领域发挥着关键作用。从技术发展层面来看，重组DNA技术的应用对酶生物传感器的制备意义重大，为其发展带来了新的突破REF_Ref31352\r\h[21]。借助该技术，科研人员能够更精准、高效地对酶进行改造和修饰，从而为基于电化学酶的生物传感器的丝网印刷电极（SPE）开发，提供了一种简便且行之有效的途径REF_Ref31388\r\h[22]。酶修饰的丝网印刷电极作为酶生物传感器的重要组成部分，其核心工作原理基于酶所具备的特异性催化功能。酶电极的传感元件以固定化的酶膜作为基础，把其浸没在酶传感器的测定液中，酶具有高度的专一性，这种独特的性质使得它能够像“精准的钥匙”一样，选择性地识别并催化特定的底物发生化学反应，当含有目标底物的样品与酶修饰的电极表面相互接触时，在酶的催化作用下，底物会发生氧化还原反应或其他类型的化学反应，生成或者消耗电活性物质，产生电子转移现象，或者导致反应产物的浓度发生变化，而这些变化都能够通过电化学检测方法进行捕捉和分析，进而实现对目标物选择性的检测。在这个基础上，通过电化学电极（金属电极、碳电极及其改性电极等），将电活性物种浓度的变化转换成电学信号（电容、电流、电势等），从而实现对于待测物的准确检测。在电化学酶生物传感器的开发历程中，大致经历了三个阶段：早期探索与第一代传感器（1960s-1980s）。20世纪60年代至80年代，电化学酶生物传感器的探索进入起步阶段。第一代传感器以氧气作为电子传递的桥梁，借助检测反应过程中氧气消耗量或过氧化氢生成量，实现电催化反应。具体而言，在有氧环境下，葡萄糖氧化酶会促使葡萄糖发生氧化反应，生成葡萄酸内酯和过氧化氢，通过监测氧气减少、过氧化氢增多或酸度改变等指标，便能间接推算出葡萄糖的含量。​不过，第一代传感器存在明显短板。其工作时需要较高的电势，导致抗坏血酸、尿酸等具有电活性的物质容易干扰检测结果；传感器的响应信号与氧气分压、溶解氧浓度紧密相关，一旦溶解氧出现波动，电极响应就会不稳定；此外，由于氧气溶解度存在上限，在缺氧环境中，传感器难以准确测定高浓度底物，而过氧化氢浓度过高时，还可能致使酶活性降低。​技术改进与第二代传感器（1980s-2000s）。为弥补第一代传感器的缺陷，从20世纪80年代起，第二代介体型酶生物传感器逐步发展起来。科研人员尝试用氧化还原电子媒介体替代氧气，以此搭建起酶的氧化还原活性中心与电极之间的电子传输通路，加速电子迁移，产生稳定的响应电流。其中，二茂铁及其衍生物等物质，凭借良好的电化学性能，成为常用的电子媒介体REF_Ref3693\r\h[23]。相较于第一代，第二代传感器不再依赖氧气，工作电位大幅降低，有效拓宽了响应范围，同时减少了噪声、背景电流以及外界干扰，延长了传感器的使用寿命。实践表明，使用电子媒介体后，传感器检测的准确性显著提升，对目标物质的检测下限也进一步降低。直接电子传递与第三代传感器（2000s-至今）。21世纪以来，第三代直接电化学酶传感器成为科研焦点。这类传感器试图让酶与电极直接“对话”，省去氧气或人工媒介体的中转，从原理上看，这样能加快电子传递速度，让电信号更强，从而提高检测的灵敏度和精准度。但实际研发困难重重,酶分子的电活性中心藏在深处，一旦吸附到电极表面，结构容易变形，这使得电子直接转移难以达成。目前，只有辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶等少数几种物质，能在特定电极上实现直接电催化。为解决这个问题，科学家们把精力集中在研发新型电极材料上，希望找到既通用又稳定，还能保持蛋白质活性的载体。其中，碳纳米材料因为导电性好、生物兼容性佳脱颖而出，基于它开展的功能化研究，正为第三代传感器的发展开辟新路径。酶酶酶酶酶底物检测结果氧气底物底物检测结果检测结果电子媒介体直接电子转移第一代第二代第三代图SEQ图\*ARABIC4电化学酶生物传感器的开发历程2.1.2应用​芳香酶已被用于多种分析的生物传感REF_Ref31515\r\h[24]，漆酶也被用于雌激素雌二醇的检测REF_Ref31541\r\h[25]。使用SPE作为换能器，Kuzikov小组REF_Ref31564\r\h[26]描述了CYP19A1（芳香酶）在双十二烷基二甲基溴化铵（DDAB）修饰的丝网印刷电极上的电催化活性。CYP19A1的反应途径通过电极上的直接电化学氧化来确定诱导的CYP19A1反应的产物（雌酮和雌二醇）。雌酮和雌二醇的灵敏度值分别为0.1A/M和0.12A/M。雌酮和雌二醇的检测限计算为11nM和3.4nMREF_Ref31564\r\h[26]。抗体修饰的丝网印刷电极2.2.1原理​在各类生物传感器中，免疫传感器是目前研究报道最为广泛的一类，其核心检测机制是利用针对目标物的抗原或抗体进行特异性识别。检测时，将特异性抗体固定在丝网印刷电极表面，当含有目标抗原的样品与电极接触时，抗原与抗体结合形成抗原-抗体复合物，导致电极表面的电化学性质发生变化，传感器主要通过标记或无标记这两种检测方法，精准测量样品中互补目标物与生物受体的结合程度。抗原-抗体结合作用具有高度特异性和选择性，而这种特异性交互过程，可借助电化学、光学和质谱等分析技术实现有效测定。如电极表面电阻、电容的改变，通过检测这些参数的变化，即可实现对抗原的定性和定量分析。当前，免疫测定试剂盒已在环境污染物检测REF_Ref31747\r\h[27]中得到大量应用，将丝网印刷生产工艺与免疫测定技术相结合，能满足环境分析对于低成本、规模化生产的需求。2.2.2应用​在临床诊断中，抗体修饰的丝网印刷电极凭借独特优势，成为检测肿瘤标志物和病原体的热门技术。它利用抗原和抗体“一对一”精准结合的特性，把高特异性抗体固定在电极表面，就像给电极装上了“精准导航”，能快速识别特定目标物质，搭建起高效的生物传感平台。以癌胚抗原（CEA）检测为例，科研人员通过优化偶联条件，将癌胚抗原（CEA）抗体精准修饰于丝网印刷电极表面，制备出高灵敏度的检测电极。当该电极与含有CEA的人血清样本接触时，抗体与CEA迅速发生特异性结合，引发电极表面电化学信号的显著变化，从而实现对人血清中痕量CEA的定量检测，且检测灵敏度达到了临床应用的高标准REF_Ref31783\r\h[28]。​在食品安全检测领域，抗体修饰的丝网印刷电极是保障食品质量安全的关键技术。食品中的致病菌和过敏原通常含量极低却危害极大，传统检测方法存在检测周期长、灵敏度不足等问题。基于抗体修饰电极的检测技术，利用沙门氏菌抗体与菌体表面抗原的特异性结合特性，在丝网印刷电极表面形成稳定的免疫复合物。通过电化学信号的转换和放大，能够在较短时间内完成对食品中沙门氏菌的快速检测，有效弥补了传统检测手段的不足，为食品安全监管提供了高效可靠的技术支持。这种技术不仅缩短了检测周期，还能有效避免复杂食品基质的干扰，极大提升了检测的准确性和可靠性REF_Ref31920\r\h[29]。在环境检测领域，抗体修饰的丝网印刷电极成为解决复杂污染问题的重要工具。多氯联苯是常见的持久性有机污染物，在土壤、水体中广泛残留，且化学性质稳定，难以自然降解，长期累积会破坏生态平衡，威胁人体健康。科研团队将多氯联苯特异性抗体固定在丝网印刷电极表面，开发出针对性强的检测平台。当含有多氯联苯的水样接触电极，抗体就会精准识别并结合目标分子，再通过电化学检测技术，实现对不同浓度污染物的定量分析。整个检测流程从采样到出结果，操作步骤简单，检测速度快，能快速反馈环境污染物的实时浓度数据，为环境污染防控和治理方案制定提供科学依据REF_Ref31949\r\h[30]。基于适体修饰的丝网印刷电极2.3.1原理​适体是一种替代的生物识别元件，与靶标化学合成，由于其高稳定性和对多种靶标的特殊亲和力，使它们比其他生物识别元件/材料（例如抗体、肽和酶）具有优势。对于生物识别元件，如抗体，电化学生物传感器中的短保质期、稳定性问题和非特异性分析响应是使用适体作为替代品的一些原因。适体是通过指数富集配体系统进化技术（SELEX）筛选得到的单链DNA或RNA片段，能够与靶标分子发生特异性、高亲和力的结合。基于适体修饰的丝网印刷电极，将适体固定在电极表面，当目标靶标分子存在时，适体与靶标分子结合，引起电极表面的构象变化或电子传递过程改变，进而导致电极的电化学信号发生变化。通过检测这些信号变化，可实现对靶标分子的检测REF_Ref32054\r\h[31]。​2.3.2应用​2005年，Pemberton等人描述了第一批研究用电化学方法整合免疫测定快速分析17-β-雌二醇的可能性的研究之一。对于25—500pg/mL的17-β-雌二醇浓度范围，记录的检测限（LOD）为50pg/mLREF_Ref32181\r\h[32]。在生物医学领域，适体修饰的丝网印刷电极凭借其卓越的特异性和灵敏性，成为检测蛋白质、肿瘤细胞等生物标志物的重要工具。其核心检测原理基于适体与靶标分子间高度特异的结合作用。以凝血酶检测为例，科研人员通过精心设计实验流程，将针对凝血酶的适体成功固定在丝网印刷电极表面REF_Ref32207\r\h[33]。在优化固定条件过程中，对诸如固定时间、温度以及适体浓度等关键参数进行了系统探究，最终确定了最佳实验方案。当该修饰电极与含有凝血酶的样本接触时，适体迅速与凝血酶发生特异性结合，这一结合事件会引发电极表面的构象变化，进而显著改变电极表面的电子传递过程。借助先进的电化学检测技术，如差分脉冲伏安法（DPV），能够精准捕捉到这些变化所导致的电化学信号改变。实验结果表明，该针对凝血酶的适体修饰的丝网印刷电极展现出极高的灵敏度，为临床凝血相关疾病的诊断与监测提供了强有力的技术支撑。Kanso等人REF_Ref32233\r\h[34]描述了一种免疫传感器，其使用连接到SPE上的羧酸或胺官能化雌激素衍生物的磁珠来灵敏检测17-β-雌二醇和17-α-乙炔雌二醇。伏特安培测量法被用作定量的电化学技术，电化学免疫传感器显示出对17-β-雌二醇和17-α-乙炔雌二醇的高度灵敏响应，检测限分别为1.0ng/L和10ng/L，此外还提供了简单快速的测定方案，与常规免疫测定的280分钟相比，测定时间为120分钟。在环境检测方面，适体修饰的丝网印刷电极在应对日益复杂的环境污染问题中发挥着不可替代的作用，能够高效检测重金属离子、有机污染物等多种环境危害物。以汞离子检测为例，研究人员利用汞离子适体REF_Ref17800\r\h[35]对丝网印刷电极进行修饰。在修饰过程中，采用自组装单分子层技术，将汞离子适体有序且稳定地固定在电极表面，形成具有高度选择性识别位点的传感界面。当检测水体样本时，若样本中存在汞离子，汞离子适体便会迅速与其特异性结合，这种结合改变了电极/溶液界面的电荷分布和电子转移特性，从而使电极的电化学信号产生明显变化。通过对电化学信号的精确分析，能够实现对水体中汞离子的快速、准确检测，有效助力环境水质监测工作，及时发现汞污染问题，为环境保护决策提供关键数据支持REF_Ref32397\r\h[36]。​在食品安全检测领域，适体修饰的丝网印刷电极已成为保障食品质量安全的核心技术手段。食品中的抗生素残留、毒素等有害物质隐蔽性强，长期摄入会严重威胁消费者健康，而传统检测方法普遍存在检测周期长、灵敏度欠佳等弊端。基于适体修饰电极的检测技术为解决这些难题提供了创新路径。以黄曲霉毒素检测为例，科研团队将高特异性的黄曲霉毒素适体精准修饰于丝网印刷电极表面，构建起高灵敏度的检测平台。当含有待测样本的溶液与电极接触时，黄曲霉毒素适体能够凭借独特的空间构象，快速且精准地识别并结合样本中的黄曲霉毒素分子，这一特异性结合过程会显著引发电极表面电化学活性的改变。研究人员通过捕捉并分析差分脉冲伏安信号的细微变化，即可实现对食品中黄曲霉毒素的准确定量分析。该检测方法不仅检测速度快，能够在短时间内给出检测结果，而且具有极高的灵敏度和特异性，有效避免了其他食品成分的干扰，为食品安全监管提供了可靠的技术保障REF_Ref32495\r\h[37]。​

用于生物检测的丝网印刷电化学传感器电化学预处理的丝网印刷电极电化学预处理的丝网印刷电极已被提出，用于提高对多种分析物的灵敏度。电化学预处理通过对丝网印刷电极表面施加特定的电位条件或进行氧化还原反应，改变电极表面的物理化学性质。这种处理能够有效去除电极表面的杂质和污染物，同时在电极表面引入活性基团，如羟基、羧基等，从而增大电极的有效表面积，改善电子传递效率。SPE的预处理可以用电化学或使用其他方法进行，例如浸泡在各种溶液中，这些溶液将溶解丝网印刷过程的最终产品之后残留在表面上的粘合剂和溶剂。通常使用内球和外球氧化还原系统在预处理和未处理的SPCE之间比较电子转移以及电荷电阻转移。这些预处理方法旨在调节电极表面，以促进快速反应动力学（电子和质子转移），因此，称为活化或预处理电极。与未处理的相比，发现边缘平面活性会影响预处理丝网印刷电极的电催化活性。报道的几种方法表明，处理过的SPE的边缘平面和基面表现不同，前者对生物化合物表现出更好的活性。雷蒙多-佩雷拉等人REF_Ref510\r\h[38]，展示了在0.5MH2SO4中100mV、电位范围2.5和2.5V的循环伏安法对SPCE进行简单的电化学预处理（两次扫描），用于传感器测定新出现的污染物；同时测定自来水中雌二醇（E2）、对苯二酚（HQ）和扑热息痛（PARA），检测限分别为185、218和888nM，线性范围为0.5~10.0mM。这项研究的结果与HPLC进行了比较，表明预处理传感器作为一种经济、快速和灵敏的环境保护方法的有效性REF_Ref549\r\h[39]。在肿瘤标志物检测方面，通过预处理增强电极与适配体或抗体的结合能力，显著提高了检测的特异性，在复杂生物样本检测中表现出可靠的分辨能力。碳基丝网印刷电极碳基纳米材料已被纳入各种传感器平台的工作电极设计中REF_Ref585\r\h[40]。对于生物电化学平台，Sanati等人REF_Ref585\r\h[40]综述了电化学生物传感领域中碳质材料对丝网印刷电极的改性，如石墨烯及其衍生物、碳纳米管、介孔碳、碳纳米纤维和碳纳米球REF_Ref641\r\h[41]。碳基丝网印刷电极良好的导电性和化学稳定性是实现电化学检测的基础。碳材料表面具有丰富的π电子体系，能够与生物分子通过π-π堆叠、氢键等相互作用实现有效固定。同时，碳基电极在不同的电解质环境下表现出稳定的电化学响应，为生物检测提供了可靠的平台。​碳基丝网印刷电极广泛应用于生物分子检测。塞萨里诺等人REF_Ref641\r\h[41]基于差分脉冲伏安法测量应用三刺激分析来测量两种雌激素，以克服传感器对单一化学物质缺乏特异性的问题。碳纳米结构，即氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和掺杂锑纳米颗粒的还原氧化石墨烯，用于水中的17-β-雌二醇和雌三醇检测REF_Ref729\r\h[42]。马扎拉基奥等人REF_Ref729\r\h[42]研究了使用各种类型的碳纳米材料作为改性剂来改善SPE的性能。这项工作还探索了各种形式的炭黑作为用于此目的的廉价改性剂。据报道，与未修饰的裸电极相比，分析性能显著提高。作者报告了一些改进，例如更低的施加电位、更大的峰-峰分离和增加的峰值信号强度。这是由于增强了材料性能，包括作为尺寸的高电子转移、洋葱状碳结构和大量缺陷位点的可用性REF_Ref840\r\h[43]。在蛋白质检测中，通过将特异性抗体修饰在电极表面，利用抗原-抗体的特异性结合反应，结合电化学信号的变化实现检测。该电极对多种蛋白质检测均表现出优异的选择性，能够精准识别并响应目标蛋白质，在临床免疫检测方面具有重要应用价值。在DNA检测领域，将DNA探针固定在碳基电极表面，基于杂交反应引发的电化学信号改变，可灵敏捕捉目标DNA序列，为疾病诊断和基因分析等研究提供了关键技术支持。石墨烯丝网印刷电极石墨烯凭借独特的二维平面结构与优异电学性能脱颖而出。它拥有超大比表面积，电子传导能力出众，为生物分子附着和电子传输创造了优质条件。当科研人员把石墨烯修饰到丝网印刷电极表面后，电极的电荷转移电阻明显降低，电化学信号强度得以大幅提升。此外，石墨烯表面的官能团能通过化学手段与生物分子牢固共价偶联，从而顺利实现生物传感器的功能化定制，满足多样化检测需求。这些特性使其成为促进目标分析物和电极之间快速电子转移的优秀电极改性剂。卡鲁万等人REF_Ref1147\r\h[44]报道了在丝网印刷过程中将石墨烯添加到油墨配方中REF_Ref1180\r\h[45]。在另一项研究REF_Ref1206\r\h[46]中，使用多壁碳纳米管(MWCNT)和石墨烯(GP)对SPCE进行了改性REF_Ref1206\r\h[46]。基于石墨烯-碳纳米管修饰的电化学传感器应用的专门综述可以在其他地方找到。辛蒂等人概述了使用石墨烯基材料对SPE进行改性REF_Ref1268\r\h[47]。在肿瘤标志物癌胚抗原（CEA）检测时，科研人员将CEA抗体与石墨烯共价结合后修饰在电极表面，利用抗体与CEA的特异性识别，结合电化学发光技术实现检测。该电极对痕量CEA表现出极高的检测灵敏度，有效提升了肿瘤早期诊断的可能性。在神经递质检测方面，石墨烯的引入增强了电极对神经递质的电催化活性，能够准确监测神经递质浓度的动态变化，为神经科学研究提供了强有力的工具。碳纳米管基丝网印刷电极碳纳米管（CNT）是一种被广泛报道的电极改性剂，它在传感设计中增加了许多分析物的电催化活性REF_Ref1301\r\h[48]。碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，具有高长径比、优异的电学性能和机械性能。碳纳米管修饰在丝网印刷电极表面后，能够形成导电网络，极大地改善电极的导电性。同时，碳纳米管表面存在大量的缺陷和活性位点，便于生物分子的修饰和固定。此外，碳纳米管与生物分子之间存在较强的相互作用，能够稳定生物分子的活性构象，有利于提高生物传感器的性能。​碳纳米管基丝网印刷电极在生物检测中应用广泛。Ochiai及其同事使用微流装置和用CNT修饰的SPE的组合来测量雌三醇，以产生一种结合了低样品使用量和快速安培测定雌三醇的装置REF_Ref1451\r\h[49]。在1.0—1000mM的浓度范围内观察到线性响应，LOD和LOQ分别为0.53mM和1.77mM。将所提出的方法用于测定商业样品中的雌三醇，并将结果与分光光度法提供的结果进行比较，获得的结果在95%的置信水平下一致REF_Ref1301\r\h[48]。在病毒检测研究中，将针对特定病毒的适配体修饰在碳纳米管修饰的电极表面，利用适配体与病毒的特异性结合，结合电化学阻抗谱技术实现检测。该方法大幅缩短了病毒检测时间，在病毒快速筛查中展现出高效性。在生物小分子检测方面，碳纳米管基电极对多种小分子物质表现出良好的电催化氧化性能，可应用于临床血液中相关物质的检测，为疾病诊断提供重要依据。其他材料修饰的丝网印刷电极除上述材料外，金属纳米材料REF_Ref1516\r\h[50]、金属氧化物（如二氧化锰REF_Ref1542\r\h[51]、二氧化钛REF_Ref1568\r\h[52]）等也常用于修饰丝网印刷电极。金属纳米材料具有优异的表面等离子体共振效应和良好的生物相容性，能够增强电极的电化学信号；金属氧化物具有独特的物理化学性质和催化活性，可通过改变电极表面的电子结构和吸附性能，实现对特定生物分子的选择性检测。​以金纳米颗粒修饰的丝网印刷电极为例，在肿瘤细胞检测方面成效显著。把金纳米颗粒作为中心，让金-硫醇键将聚乙二醇衍生物和金纳米颗粒链接。在反应体系里加入偶联剂。进一步，将核酸适配体和AS1411互补的DNA单链相结合，形成一种传感探针，构建一个特异性的检测传感器。利用金纳米颗粒的信号放大作用，结合方波伏安法实现检测REF_Ref1516\r\h[50]。该电极对肿瘤细胞表现出极高的响应灵敏度，为生物检测提供了可靠手段。二氧化锰修饰的电极在过氧化氢相关检测中发挥重要作用，凭借二氧化锰对过氧化氢良好的催化活性，可有效监测与过氧化氢相关的生物过程，在生物分析和疾病诊断领域具有潜在应用价值。

结论与未来趋势当前生物检测领域对丝网印刷电极的研究十分火热，从大量学术期刊和会议论文发表的创新成果就能看出。不过，通过全面检索Scopus等数据库分析发现，虽然研究成果不少，但丝网印刷电极在实际应用场景中覆盖范围还比较有限，目前距离大规模产业化生产和广泛推广应用，还有很长的路要走。在提升丝网印刷电化学传感器性能的研究中，纳米材料成为关键突破口。碳纳米管、金属纳米颗粒、金属氧化物纳米片以及离子液体等新型纳米材料，凭借独特的物理化学性质和优异性能，被广泛用作电极改性材料。与传统丝网印刷电化学传感器相比，这些纳米材料不仅能显著提高传感器的检测灵敏度和选择性，还能增强检测结果的稳定性和重复性。部分经过纳米材料改性的传感器，甚至可以同时检测多种分析物，大大拓展了检测技术的应用边界。不过，Raymundo-Pereira等学者的研究成果为该领域的发展提供了新视角。他们通过严谨的实验对比发现，经过优化预处理的丝网印刷电极在检测灵敏度方面，与部分报道中采用纳米材料改性的电极表现相当REF_Ref354\r\h[53]。这一结果提示我们，目前对于丝网印刷电极材料配方和处理工艺的理解仍需进一步深化。未来的研究不能只盯着纳米材料在电极改性上的潜力深挖，还得重视电极预处理工艺的优化，仔细研究材料组合配方。科研人员需要系统性地探索如何让这些环节相互配合、协同优化，从多个方面全面提升丝网印刷电极的性能，最终推动它在生物检测领域大范围应用，真正发挥技术价值。为推动丝网印刷电极（SPEs）在生物检测领域实现性能突破，亟需进一步拓展改性材料的研究边界。目前，单一材料在提升电极性能方面已遭遇瓶颈，因此，探索多元复合材料作为改性剂成为重要研究方向。以合金材料为例，其独特的组分协同效应与物理化学性质，有望克服单一材料在导电性、稳定性或生物相容性等方面的局限，为大幅提升电极的灵敏度和选择性开辟全新路径。与此同时，SPEs的制备工艺革新同样至关重要。通过优化材料涂覆、电极成型等核心工艺环节，能够有效提高电极的均一性和检测重复性，充分释放其性能潜力。但工艺改进并非易事，面临诸多技术难题。传统电极常用的简单滴涂技术难以直接应用于SPEs体系，由于丝网印刷电极具有多孔结构且表面特性特殊，容易造成材料分布不均，严重影响检测稳定性。此外，参比电极在SPEs中的应用也存在明显问题，常规参比电极在测量前就容易发生降解，导致电位出现漂移，进而干扰样品电化学氧化电位的精准测定。这些问题不仅阻碍了电极性能的优化，也对检测结果的可靠性构成挑战。未来的研究需要聚焦于复合材料设计与制备工艺创新的协同突破，逐步建立一套适用于SPEs的专用技术体系，以此推动丝网印刷电极在生物检测领域实现高质量发展，更好地满足实际应用需求。将纳米材料直接混入油墨制备丝网印刷电极，因操作简便、实用性突出而成为热门研究方向。但这一方法想要成功，关键在于深入研究油墨配方的调整，特别是精确优化各组分的比例。纳米材料和油墨混合可不是简单搅拌在一起，材料的表面特性、颗粒大小，以及和油墨基质能不能很好融合，都会极大影响电极性能。在实际使用中，就算用了这种方法，纳米材料或其他功能材料在油墨里也常常分散不均匀。这样一来，很多材料藏在内部，没法在电极表面发挥作用参与反应，最终导致传感器的灵敏度变差，选择性也跟着降低，难以达到理想的检测效果。一个典型的例子是碳质纳米材料，其中边缘平面和基面对于在工作电极上形成均匀的膜至关重要REF_Ref256\r\h[54]。表面改性似乎更容易、更直接，但再现性至关重要。另一种选择是采用自动分配系统，例如Biodot其将以高精度重复地精确分散等体积。如果SPEs要取代传统方法，需要考虑很多因素。从概念化的角度来看，就应考虑从实验室研究到现场研究的转换方案。正如梅茨等人提到的，在构建SPEs时，应根据实际情况考虑背对背印刷工作电极的方法。真实样品很复杂，考虑到这一点，未来研究必然会聚焦于针对相关应用进行优化，并确保开发的丝网印刷电化学（生物）传感器兼具检测快速、便携和灵敏的优势。所以，基于各种纳米材料的丝网印刷电化学传感器面临着巨大的挑战。未来需要开发新型纳米材料用于制造丝网印刷电化学传感器，为生物检测提供更方便有效的工具。如果我们要看到使用SPE的“电分析的真正复兴”，则必须在数据分析过程中嵌入化学计量学等附加工具。最后，市场需求现在不仅转向设计具有良好灵敏度和特异性的传感器，而且转向设计连续、实时、免清洗、防污和免校准的传感平台，如REF_Ref216\r\h[55]所报道的那样。

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