《npj Biosensing》：An integrated electrochemical platform for low-volume biosensing
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本文為解決傳統絲網印刷電極(SPE)在手動操作、樣品分布不均及單次使用成本高等方面的問題，報道了一種集成化的低體積電化學傳感平臺。研究人員通過結合定制3D打印流動池、微流體泵送模塊和C#圖形用戶界面(GUI)，實現了同步控制、采集和板上分析。該平臺能自動化執行“輸送-測量-沖洗”序列，穩定流體，在~15 μL有效接觸體積下實現可重復測量。以dsDNA為模型分析物，在連續流動下的計時電流法獲得了100-1000 μg/mL的線性校準(R2≈0.965)。通過電化學再生步驟支持了SPE的有限次重復使用（首次循環保留~90%初始信號）。在匹配條件下，該平臺獲得了與移液器輸送相當但重復性更優、基線漂移更低、手動操作時間更短的信號。集成GUI最小化了操作者差異性，為適用于床旁和現場環境的低體積SPE檢測提供了一個緊湊、可編程的平臺框架。
在臨床診斷、環境監測和食品安全等領域，對微量生物標志物進行快速、靈敏且可靠的檢測是科學家和工程師們持續追求的目標。電化學生物傳感器因其高靈敏度、快速響應、低成本以及與小型樣品體積兼容等優點，在這場檢測技術的革新中扮演著關鍵角色。其中，絲網印刷電極因其將工作電極、對電極和參比電極集成于一個緊湊的平面格式中，且適合分析微升級生物樣品（如血液、唾液），已成為便攜式傳感平臺，特別是床旁診斷設備的重要組成部分。然而，光鮮的外表下隱藏著諸多挑戰：傳統的基于SPE的工作流程通常依賴手動移液操作，這導致樣品液滴形成的彎月面不一致，造成電極覆蓋不均，測量準確性和重復性大打折扣。此外，SPE通常設計為一次性使用，在高通量或資源有限的環境中增加了可觀的運營成本。如何實現穩定、可重復的微量液體輸送，并盡可能延長電極的使用壽命，成為制約其更廣泛應用的兩大瓶頸。
為了解決這些難題，并提升SPE基傳感系統的性能，來自Kurul, F., Avci, M. B., Bertan Acar, H., Topkaya, S. N. & Cetin, A. E.團隊的研究人員在《npj Biosensing》期刊上發表了一項創新性研究。他們不再滿足于對單個組件進行修修補補，而是致力于打造一個高度集成、自動化的系統級解決方案。他們的核心構想是：將定制化的3D打印流動池、一個帶有閉環反饋控制的微流體泵送模塊、以及一個功能強大的用戶控制軟件無縫整合，構建一個“一體化”的電化學傳感平臺。這個平臺的目標很明確——用自動化替代手動操作，用精確的流體控制替代隨意的液滴分布，并探索在保證數據質量的前提下有限度地重復使用電極，最終實現低體積、高重復性的生物傳感分析。
為了將構想變為現實，研究人員巧妙地運用了多項關鍵技術。首先，他們利用光固化3D打印技術，使用剛性透明樹脂和彈性樹脂，分別制造了流動池的主體結構和一個用于密封的O型圈。這個定制設計的流動池內部有一個與SPE三電極系統精確對齊的樣品池，定義了約15 μL的有效接觸體積。其次，他們構建了一個精密的微流體泵送模塊，其核心包括一個壓電微泵、一個四通道流體歧管、四個電磁閥和一個高靈敏度流量傳感器。最關鍵的是，該系統采用了比例-積分-微分閉環控制策略，通過實時流量反饋動態調節泵的動作，確保了流體輸送的高度穩定性。再者，團隊自主開發了一個基于C#的圖形用戶界面。這個軟件不僅是控制硬件的“大腦”，能夠同步指揮電位儀、泵和閥門，還集成了包括CA、DPV、CV在內的多種電化學技術模塊，并內置了溶液計算、實時可視化、峰值分析、校準曲線生成乃至檢出限/定量限計算等一系列高級數據分析工具，極大地簡化了用戶操作并提升了結果的可靠性。
研究結果系統性地驗證了該平臺的各項性能。在流動池部分，通過計算流體動力學模擬和實驗測量證實，在0.3-0.6 mL/min的流速下，流動池內呈現穩定的層流狀態，壓力降極低，這為均勻的樣品輸送和可重復的測量奠定了基礎。電化學活化實驗通過電化學阻抗譜證明，在乙酸鹽緩沖液（ACB, pH 4.8）中施加+1.8 V電壓60秒的預處理，能顯著降低SPE的電荷轉移電阻，平均Rct值從未活化時的~0.21 kΩ降至活化后的~0.077 kΩ，這意味著電極表面的電子轉移動力學得到了顯著增強。
在核心的檢測性能驗證中，研究人員以雙鏈DNA（dsDNA）作為模型分析物。在基于流動的計時電流法電化學檢測dsDNA實驗中，平臺成功實現了低體積下的定量分析。通過微流體模塊依次注入濃度從100到1000 μg/mL的dsDNA溶液，獲得的電流-時間曲線顯示出清晰的濃度依賴性增長。數據處理后得到的校準曲線在100-1000 μg/mL范圍內呈良好的線性關系，方程為I = 0.0032C + 0.7874，相關系數R2= 0.9650，證明了平臺在連續流動條件下進行定量檢測的能力。
針對SPE單次使用成本高的問題，研究探索了通過再生過程實現SPE的重復使用。結果表明，在每次測量后施加同樣的+1.8 V電壓60秒進行再生，可以部分恢復電極活性。第一次再生后，腺嘌呤氧化峰信號保留了初始值的約90.5%，且峰形結構相似；第二次再生后信號雖有減弱但仍可用于定性篩查；而第三次再生后則出現顯著的信號衰減和峰展寬。這明確界定了該再生策略支持“有限次重復使用”的實用窗口：首次再生可在保證數據可比性的前提下節省耗材，但多次再生會導致性能持續下降。
為了凸顯集成平臺的優勢，研究進行了使用流動池輸送的低體積電分析對比實驗。將傳統的移液器滴加（約100 μL）與流動池輸送（約15 μL有效體積）進行對比。在檢測500和750 μg/mL的dsDNA時，流動池方式不僅獲得了與移液方式相當甚至更強的差分脈沖伏安法氧化峰信號，而且展現了更優的重現性。更重要的是，它在將樣品消耗量降低約85%的同時，實現了更穩定的基線、更低的攜帶污染和更短的手動操作時間。
此外，論文詳細介紹了其圖形用戶界面和系統架構與通信結構。GUI將硬件控制、實時數據采集、多種內置計算器（如ppm計算、溶液稀釋、pH計算）和高級數據分析（如回歸分析、LOD/LOQ計算）集成于一個界面，極大降低了操作復雜度和人為誤差。系統通過兩條獨立的通信通道（分別連接電位儀和微控制器）協調工作，確保了電化學測量與流體控制的精確同步。
綜合討論與結論，本研究成功開發并驗證了一個完全集成的低成本電化學傳感平臺。其創新性并非在于優化某種特定的檢測化學，而在于實現了系統層面的集成：將一個精密密封的低體積3D打印流動池、帶有PID調節的閉環流動泵送、可編程的“輸送-測量-沖洗”程序、有限的電化學再生功能以及一個定制化的GUI整合到一個單一、可編程的框架中。與傳統的移液操作相比，該平臺在匹配條件下將測量的變異系數從約8%降低到約3%，顯著提高了重現性，同時減少了基線漂移和手動操作時間。流動池的制造成本僅約6美元，結合對商用SPE的支持，突出了其可及性和經濟性。
該研究為SPE檢測提供了一個通用性強、側重于重現性、自動化和低體積操作的系統“底盤”。雖然其使用dsDNA模型展示的性能參數（如線性范圍、檢出限）并非追求極限靈敏度，但該平臺架構為后續集成各種靶標特異性的識別化學（如適配體、抗體）、信號放大策略以及應用于復雜生物基質檢測奠定了堅實的技術基礎。未來，通過向多重檢測陣列、進一步小型化、電池供電、無線連接以及人工智能輔助信號處理等方向演進，該平臺有望從一個實驗室原型工具，發展成為廣泛應用于床旁診斷、環境監測和資源有限環境的強大而實用的診斷工具。
