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这篇综述系统地总结了碳基电化学传感器（包括玻璃碳、金刚石、碳纤维微电极等）在神经递质、金属离子等多分析物检测中的应用。文章重点阐述了电极表面修饰（如纳米结构、功能化）、电聚合薄膜等策略如何提升灵敏度与选择性，并详细比较了各类电极（如GCE、CFM、BDD、SPCE）在检测多巴胺（DA）、5-羟色胺（5-HT）、抗坏血酸（AA）等分子时的性能与检出限。同时，文章指出了当前面临的主要挑战，如生物污染、信号重叠、生理环境下验证不足等，并展望了通过表面工程、纳米材料集成和微型化技术推动其在神经科学和临床诊断中发展的前景。
传统碳基电极概述
碳基电极是电化学传感的基石，凭借其优异的导电性、宽电位窗口、低背景电流、化学稳定性和灵活的表面化学性质，成为同时检测神经递质、代谢物、药物和有毒金属等多样分析物的理想平台。不同电极类型，如玻碳电极（GCE）、碳糊电极（CPE）、石墨电极和碳纤维微电极（CFM），各具优势。通过整合纳米材料、金属纳米粒子、聚合物和有机化合物等进行表面修饰，可以进一步提升其灵敏度、选择性和稳定性。
玻碳电极（GCEs）及其表面修饰
GCEs因其化学惰性、宽电位窗口和良好的机械稳定性而广泛应用。纳米碳材料（如多壁碳纳米管MWCNTs、还原氧化石墨烯rGO）和金属纳米颗粒的修饰，能显著提高GCE的电子转移能力和检测限。例如，经电化学rGO修饰的GCE对AA、UA和DA的检测展现出强电催化活性。聚合物膜（如聚多巴胺、聚L-甲硫氨酸）的引入能有效改善选择性，分离重叠的氧化还原峰。
石墨烯及石墨烯基修饰电极
石墨烯以其高电导率和大比表面积成为电极修饰的标杆材料。通过还原、掺杂或与金属纳米粒子（如AuNP、PtNP）复合，能极大增强对神经化学物质（如DA、5-HT）的检测性能。例如，硼氮共掺杂rGO结合金纳米粒子，可将尿酸的检测限降低至纳摩尔乃至皮摩尔级别。金属-石墨烯杂化材料在复杂生物样本中实现了多种分析物的同时检测。
碳纤维微电极（CFMs）
CFMs以其微米级尺寸（5–10 μm）提供了优异的时空分辨率，结合快速扫描循环伏安法（FSCV），可在毫秒级时间尺度上监测大脑中神经递质的快速动态变化。它是目前神经递质实时、原位检测的“金标准”。通过表面修饰（如碳纳米管、石墨烯复合材料）或构建双孔CFM，可以同时检测DA、5-HT、抗坏血酸和Cu2+等离子，有助于理解神经退行性疾病中金属-神经递质的相互作用。
掺杂类金刚石碳电极
掺杂改性，特别是硼掺杂金刚石（BDD）和氮掺杂金刚石（NDD）电极，因其宽电位窗口、高稳定性和抗生物污染能力而备受关注。BDD电极已成功用于多种药物和神经递质的同时检测，检测限可达纳摩尔至亚纳摩尔级。例如，通过电化学预处理或聚合物涂层（如聚N,N-二甲基苯胺）修饰的BDD电极，能有效分辨AA与5-HT等重叠信号。NDD微针阵列等设计，为微创、原位监测提供了新思路。
纳米结构电极
碳纳米管（CNT）和石墨烯的纳米结构工程是提升传感性能的关键。通过构建三维结构、异质原子掺杂或与其他材料复合，可以增加电化学活性位点，改善电子转移。例如，单壁碳纳米角（SWCNH）或CNT-金属氧化物复合材料改性的电极，对DA、UA和AA的检测展现出清晰的峰分离和低至纳摩尔的检测限。然而，这类纳米材料电极的批量生产和性能一致性仍是挑战。
印刷电极
以丝网印刷碳电极（SPCE）为代表的印刷电极技术，因其成本低、可批量生产、可灵活修饰等优点，在即时检测领域极具前景。通过修饰石墨烯量子点（GQD）、离子液体（IL）、金纳米粒子（AuNPs）或导电聚合物（如PEDOT:PSS），SPCEs已实现对多种生物分子（如DA、UA、5-HT、NO2-）的高灵敏度、高选择性同时检测。例如，GQD/IL-SPCE对DA和UA的检出限分别达到0.06 μM和0.03 μM。这些平台在尿液、血清乃至脑组织匀浆等真实样本中得到了验证，展示了其临床应用的潜力。
挑战与未来展望
尽管取得了显著进展，但要实现可靠的体内应用和临床转化，仍面临诸多挑战。许多研究在非生理条件下进行，限制了其在复杂生物环境中的适用性。生物污染、信号重叠、传感器长期稳定性不足以及生理环境中的多重分析能力有限是关键瓶颈。此外，纳米材料修饰电极的批次间重现性和长期稳定性仍需改善。
未来的发展将聚焦于几个方向：开发更先进的表面工程和功能化策略，以提高选择性和抗污染能力；将多种纳米材料集成到微型化、柔性或可植入的传感平台中，以适应复杂的生物环境；结合机器学习和人工智能模型来解卷积复杂的电化学信号，提高多分析物分辨的准确性；以及推动更多在体验证研究，以评估传感器在真实生理条件下的性能。通过持续创新，碳基电化学传感器有望成为神经科学研究、疾病诊断和个性化医疗的强大工具。
