《npj Biosensing》：An integrated electrochemical platform for low-volume biosensing
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本文为解决传统丝网印刷电极(SPE)在手动操作、样品分布不均及单次使用成本高等方面的问题，报道了一种集成化的低体积电化学传感平台。研究人员通过结合定制3D打印流动池、微流体泵送模块和C#图形用户界面(GUI)，实现了同步控制、采集和板上分析。该平台能自动化执行“输送-测量-冲洗”序列，稳定流体，在~15 μL有效接触体积下实现可重复测量。以dsDNA为模型分析物，在连续流动下的计时电流法获得了100-1000 μg/mL的线性校准(R2≈0.965)。通过电化学再生步骤支持了SPE的有限次重复使用（首次循环保留~90%初始信号）。在匹配条件下，该平台获得了与移液器输送相当但重复性更优、基线漂移更低、手动操作时间更短的信号。集成GUI最小化了操作者差异性，为适用于床旁和现场环境的低体积SPE检测提供了一个紧凑、可编程的平台框架。
在临床诊断、环境监测和食品安全等领域，对微量生物标志物进行快速、灵敏且可靠的检测是科学家和工程师们持续追求的目标。电化学生物传感器因其高灵敏度、快速响应、低成本以及与小型样品体积兼容等优点，在这场检测技术的革新中扮演着关键角色。其中，丝网印刷电极因其将工作电极、对电极和参比电极集成于一个紧凑的平面格式中，且适合分析微升级生物样品（如血液、唾液），已成为便携式传感平台，特别是床旁诊断设备的重要组成部分。然而，光鲜的外表下隐藏着诸多挑战：传统的基于SPE的工作流程通常依赖手动移液操作，这导致样品液滴形成的弯月面不一致，造成电极覆盖不均，测量准确性和重复性大打折扣。此外，SPE通常设计为一次性使用，在高通量或资源有限的环境中增加了可观的运营成本。如何实现稳定、可重复的微量液体输送，并尽可能延长电极的使用寿命，成为制约其更广泛应用的两大瓶颈。
为了解决这些难题，并提升SPE基传感系统的性能，来自Kurul, F., Avci, M. B., Bertan Acar, H., Topkaya, S. N. & Cetin, A. E.团队的研究人员在《npj Biosensing》期刊上发表了一项创新性研究。他们不再满足于对单个组件进行修修补补，而是致力于打造一个高度集成、自动化的系统级解决方案。他们的核心构想是：将定制化的3D打印流动池、一个带有闭环反馈控制的微流体泵送模块、以及一个功能强大的用户控制软件无缝整合，构建一个“一体化”的电化学传感平台。这个平台的目标很明确——用自动化替代手动操作，用精确的流体控制替代随意的液滴分布，并探索在保证数据质量的前提下有限度地重复使用电极，最终实现低体积、高重复性的生物传感分析。
为了将构想变为现实，研究人员巧妙地运用了多项关键技术。首先，他们利用光固化3D打印技术，使用刚性透明树脂和弹性树脂，分别制造了流动池的主体结构和一个用于密封的O型圈。这个定制设计的流动池内部有一个与SPE三电极系统精确对齐的样品池，定义了约15 μL的有效接触体积。其次，他们构建了一个精密的微流体泵送模块，其核心包括一个压电微泵、一个四通道流体歧管、四个电磁阀和一个高灵敏度流量传感器。最关键的是，该系统采用了比例-积分-微分闭环控制策略，通过实时流量反馈动态调节泵的动作，确保了流体输送的高度稳定性。再者，团队自主开发了一个基于C#的图形用户界面。这个软件不仅是控制硬件的“大脑”，能够同步指挥电位仪、泵和阀门，还集成了包括CA、DPV、CV在内的多种电化学技术模块，并内置了溶液计算、实时可视化、峰值分析、校准曲线生成乃至检出限/定量限计算等一系列高级数据分析工具，极大地简化了用户操作并提升了结果的可靠性。
研究结果系统性地验证了该平台的各项性能。在流动池部分，通过计算流体动力学模拟和实验测量证实，在0.3-0.6 mL/min的流速下，流动池内呈现稳定的层流状态，压力降极低，这为均匀的样品输送和可重复的测量奠定了基础。电化学活化实验通过电化学阻抗谱证明，在乙酸盐缓冲液（ACB, pH 4.8）中施加+1.8 V电压60秒的预处理，能显著降低SPE的电荷转移电阻，平均Rct值从未活化时的~0.21 kΩ降至活化后的~0.077 kΩ，这意味着电极表面的电子转移动力学得到了显著增强。
在核心的检测性能验证中，研究人员以双链DNA（dsDNA）作为模型分析物。在基于流动的计时电流法电化学检测dsDNA实验中，平台成功实现了低体积下的定量分析。通过微流体模块依次注入浓度从100到1000 μg/mL的dsDNA溶液，获得的电流-时间曲线显示出清晰的浓度依赖性增长。数据处理后得到的校准曲线在100-1000 μg/mL范围内呈良好的线性关系，方程为I = 0.0032C + 0.7874，相关系数R2= 0.9650，证明了平台在连续流动条件下进行定量检测的能力。
针对SPE单次使用成本高的问题，研究探索了通过再生过程实现SPE的重复使用。结果表明，在每次测量后施加同样的+1.8 V电压60秒进行再生，可以部分恢复电极活性。第一次再生后，腺嘌呤氧化峰信号保留了初始值的约90.5%，且峰形结构相似；第二次再生后信号虽有减弱但仍可用于定性筛查；而第三次再生后则出现显著的信号衰减和峰展宽。这明确界定了该再生策略支持“有限次重复使用”的实用窗口：首次再生可在保证数据可比性的前提下节省耗材，但多次再生会导致性能持续下降。
为了凸显集成平台的优势，研究进行了使用流动池输送的低体积电分析对比实验。将传统的移液器滴加（约100 μL）与流动池输送（约15 μL有效体积）进行对比。在检测500和750 μg/mL的dsDNA时，流动池方式不仅获得了与移液方式相当甚至更强的差分脉冲伏安法氧化峰信号，而且展现了更优的重现性。更重要的是，它在将样品消耗量降低约85%的同时，实现了更稳定的基线、更低的携带污染和更短的手动操作时间。
此外，论文详细介绍了其图形用户界面和系统架构与通信结构。GUI将硬件控制、实时数据采集、多种内置计算器（如ppm计算、溶液稀释、pH计算）和高级数据分析（如回归分析、LOD/LOQ计算）集成于一个界面，极大降低了操作复杂度和人为误差。系统通过两条独立的通信通道（分别连接电位仪和微控制器）协调工作，确保了电化学测量与流体控制的精确同步。
综合讨论与结论，本研究成功开发并验证了一个完全集成的低成本电化学传感平台。其创新性并非在于优化某种特定的检测化学，而在于实现了系统层面的集成：将一个精密密封的低体积3D打印流动池、带有PID调节的闭环流动泵送、可编程的“输送-测量-冲洗”程序、有限的电化学再生功能以及一个定制化的GUI整合到一个单一、可编程的框架中。与传统的移液操作相比，该平台在匹配条件下将测量的变异系数从约8%降低到约3%，显著提高了重现性，同时减少了基线漂移和手动操作时间。流动池的制造成本仅约6美元，结合对商用SPE的支持，突出了其可及性和经济性。
该研究为SPE检测提供了一个通用性强、侧重于重现性、自动化和低体积操作的系统“底盘”。虽然其使用dsDNA模型展示的性能参数（如线性范围、检出限）并非追求极限灵敏度，但该平台架构为后续集成各种靶标特异性的识别化学（如适配体、抗体）、信号放大策略以及应用于复杂生物基质检测奠定了坚实的技术基础。未来，通过向多重检测阵列、进一步小型化、电池供电、无线连接以及人工智能辅助信号处理等方向演进，该平台有望从一个实验室原型工具，发展成为广泛应用于床旁诊断、环境监测和资源有限环境的强大而实用的诊断工具。
