基于银墨水笔绘纸基电化学微传感器监测核黄素及其在代谢紊乱中的应用

《Analytical Science Advances》：Monitoring of Metabolic Disorders Through Electro-Sensing of Riboflavin by Novel Super-Conductive Silver Ink Modified Paper

本文报道了一种创新的纸基电化学微传感器，用于快速、低成本地检测血浆样本中的核黄素（维生素B2）。该传感器采用新型高导电银墨水，通过笔绘（pen-on-paper）技术在纤维素纸上直接绘制微米级电极。此方法制备简单、快速、成本低廉，所制电极具有优异的热、机械和湿度稳定性。传感器对核黄素表现出良好的线性响应（0.4–10 μM）、高灵敏度与选择性，并成功应用于真实血浆样本分析，为代谢紊乱相关疾病的即时检测（POC）提供了具有潜力的便携式平台。

　　

引言：核黄素检测的重要性

核黄素（Riboflavin， RIB），即维生素B₂，是一种水溶性维生素，是人体内众多代谢和氧化还原反应的关键辅因子。它参与脂肪和蛋白质的分解、能量产生以及抗氧化防御机制。由于人体无法自身合成，核黄素必须从膳食（如肝脏、乳制品、全谷物、蔬菜）或补充剂中获取。其缺乏可能导致光敏、贫血、生长迟缓和胃肠道问题等一系列严重的生理并发症，与代谢紊乱密切相关。因此，在真实生物样本（如血浆）中进行核黄素的快速、准确量化，对于临床评估营养状况、疾病诊断和食品药物质量控制至关重要。

传感平台的构建：笔绘纸基电极

本研究核心是开发了一种基于笔绘（pen-on-paper）技术的可抛弃式电化学微传感器。研究团队合成了一种高导电性银墨水，将其灌入圆珠笔芯，从而能够在照相纸（cellulose substrate）上直接绘制出微米尺度（约85.78 μm）的电极图案。得益于优化的墨水配方，绘制的电极在室温下可瞬间干燥（约3秒），形成均匀、轮廓清晰且不扩散的高导电图案。该电极在施加应力条件下表现出卓越的稳定性：在150°C高温下电阻稳定在1.5 Ω，潮湿环境下为2.9 Ω，机械弯曲下为2 Ω。银墨水在纸基上形成的三维网络结构在应力下保持了导电性并防止了结构开裂。

电化学性能评估与传感机制

传感器的电化学表征和其对核黄素的检测效能通过循环伏安法（CV）、方波伏安法（SWV）、计时安培法（ChA）和差分脉冲伏安法（DPV）系统评估。研究分为两个阶段：（I）纯银墨水电极；（II）固定了核黄素的银墨水电极。在含有铁氰化钾/亚铁氰化钾（K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆]）的电解质中，纯银墨水电极显示出良好的电子转移行为，阳极峰电流约为852.4 μA。在固定核黄素后，阳极峰电流强度显著增加至5337.4 μA，表明核黄素的固定增强了电荷转移。核黄素及其磷酸化形式（FMN）是一种氧化还原辅因子，可通过两个单电子步骤（氧化态→半醌→氢醌）发生电化学还原/氧化。当FMN固定在银电极表面时，它可以快速进行这些氧化还原步骤，随后在电极和溶液氧化还原对（铁氰化物/亚铁氰化物）之间进行化学电子转移，从而催化氧化还原反应，产生远大于背景的催化电流。这解释了与纯银墨水电极相比电流大幅增加的现象。银墨水网络提供了高导电性和催化活性的界面，显著增强了传感器对核黄素氧化反应的电化学响应速度和信号强度。

结构与成分表征

场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析被用来系统研究电极的表面形貌、元素组成和尺寸。FE-SEM图像显示，银墨水成功形成并固定在纤维素的微纤维网络上，纳米颗粒尺寸主要在50至75纳米之间，呈准球形均匀分布，覆盖致密。这种结构增加了有效表面积和电荷转移动力学。SEM横截面图像证实了负载核黄素的银纳米颗粒墨水成功地渗透并固定在纸基的多孔表面，显示出强大的界面结合力和机械稳定性。EDS定量分析显示，固定核黄素后，样品中除了主要的银元素，还出现了碳、磷、硫和氮元素，这证实了核黄素在电极表面的成功固定。

分析性能与生物样本应用

该微型电化学传感器的分析能力通过方波伏安法（SWV）进行评估。传感器对核黄素的响应在0.4至10 μM浓度范围内呈现良好的线性关系，定量下限（LLOQ）为0.4 μM，线性回归方程为 I_p(μA) = 1251.1 C_RIB+ 19,341，R²= 0.9853。研究进一步将该传感器应用于加标的人血浆样本分析。在优化的条件下，传感器在血浆基质中同样显示出清晰的线性关系（R²> 0.9829），校准曲线为 I_p(μA) = 1217.5 C_RIB+ 8327.4，定量下限为0.4 μM，证明了其在实际复杂生物样本中定量检测核黄素的适用性。

方法验证：选择性、稳定性、重复性与重现性

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  选择性：在多种潜在干扰物（包括葡萄糖、尿酸、抗坏血酸、多巴胺及多种氨基酸）存在下，传感器对核黄素（1 μM）的响应信号未发生显著改变，表明其具有良好的特异性。
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  稳定性：传感器在连续4天的测试中，响应信号随时间推移逐渐下降。这表明尽管传感器在初期具有合适的稳定性，但其导电结构在纸基上的长期稳定性有限，因此更适合作为一次性器件使用，以确保稳定和可重复的电化学性能。

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  重复性：对三个相同制备的电极在三个不同浓度（0.4, 4, 10 μM）下进行多次测量，计算得到的相对标准偏差（RSD）分别为3.4%、6.1%和8.04%，平均值（RSD_Ave）为5.84%，符合电化学传感器公认的标准，表明方法具有可靠的重复性。

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  重现性：使用三个独立制备的电极在相同条件下测试，在0.4、4和10 μM浓度下获得的电流响应标准偏差（SD）分别为6.35%、1.47%和4.39%。这些较低的SD值表明传感器制造工艺具有出色的重现性，批次间差异小。

结论与展望

本研究成功开发了一种基于笔绘技术和导电银墨水的新型纸基电化学微传感器，用于核黄素的快速、便携式检测。该传感器制备简单、快速、成本低廉，电极表现出优异的稳定性，并对血浆中的核黄素实现了灵敏和特异的检测，线性范围为0.4–10 μM。这项工作首次采用了可即时干燥的银墨水来快速、低成本地制造一次性电化学传感器，为开发用于临床诊断的经济、准确、便携的即时检测（POCT）平台开辟了新视角。未来可通过改进材料和制造策略，进一步推进该平台的发展，以支持在人类血浆等复杂样本中快速分析生物标志物。这些发现推动了用于电化学生物分析的纸基微传感器的设计进展。