《Bioelectrochemistry》：Advancing multi-analyte neurochemical detection with carbon-based electrodes: Challenges and future perspectives
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這篇綜述系統地總結了碳基電化學傳感器（包括玻璃碳、金剛石、碳纖維微電極等）在神經遞質、金屬離子等多分析物檢測中的應用。文章重點闡述了電極表面修飾（如納米結構、功能化）、電聚合薄膜等策略如何提升靈敏度與選擇性，并詳細比較了各類電極（如GCE、CFM、BDD、SPCE）在檢測多巴胺（DA）、5-羥色胺（5-HT）、抗壞血酸（AA）等分子時的性能與檢出限。同時，文章指出了當前面臨的主要挑戰，如生物污染、信號重疊、生理環境下驗證不足等，并展望了通過表面工程、納米材料集成和微型化技術推動其在神經科學和臨床診斷中發展的前景。
傳統碳基電極概述
碳基電極是電化學傳感的基石，憑借其優異的導電性、寬電位窗口、低背景電流、化學穩定性和靈活的表面化學性質，成為同時檢測神經遞質、代謝物、藥物和有毒金屬等多樣分析物的理想平臺。不同電極類型，如玻碳電極（GCE）、碳糊電極（CPE）、石墨電極和碳纖維微電極（CFM），各具優勢。通過整合納米材料、金屬納米粒子、聚合物和有機化合物等進行表面修飾，可以進一步提升其靈敏度、選擇性和穩定性。
玻碳電極（GCEs）及其表面修飾
GCEs因其化學惰性、寬電位窗口和良好的機械穩定性而廣泛應用。納米碳材料（如多壁碳納米管MWCNTs、還原氧化石墨烯rGO）和金屬納米顆粒的修飾，能顯著提高GCE的電子轉移能力和檢測限。例如，經電化學rGO修飾的GCE對AA、UA和DA的檢測展現出強電催化活性。聚合物膜（如聚多巴胺、聚L-甲硫氨酸）的引入能有效改善選擇性，分離重疊的氧化還原峰。
石墨烯及石墨烯基修飾電極
石墨烯以其高電導率和大比表面積成為電極修飾的標桿材料。通過還原、摻雜或與金屬納米粒子（如AuNP、PtNP）復合，能極大增強對神經化學物質（如DA、5-HT）的檢測性能。例如，硼氮共摻雜rGO結合金納米粒子，可將尿酸的檢測限降低至納摩爾乃至皮摩爾級別。金屬-石墨烯雜化材料在復雜生物樣本中實現了多種分析物的同時檢測。
碳纖維微電極（CFMs）
CFMs以其微米級尺寸（5–10 μm）提供了優異的時空分辨率，結合快速掃描循環伏安法（FSCV），可在毫秒級時間尺度上監測大腦中神經遞質的快速動態變化。它是目前神經遞質實時、原位檢測的“金標準”。通過表面修飾（如碳納米管、石墨烯復合材料）或構建雙孔CFM，可以同時檢測DA、5-HT、抗壞血酸和Cu2+等離子，有助于理解神經退行性疾病中金屬-神經遞質的相互作用。
摻雜類金剛石碳電極
摻雜改性，特別是硼摻雜金剛石（BDD）和氮摻雜金剛石（NDD）電極，因其寬電位窗口、高穩定性和抗生物污染能力而備受關注。BDD電極已成功用于多種藥物和神經遞質的同時檢測，檢測限可達納摩爾至亞納摩爾級。例如，通過電化學預處理或聚合物涂層（如聚N,N-二甲基苯胺）修飾的BDD電極，能有效分辨AA與5-HT等重疊信號。NDD微針陣列等設計，為微創、原位監測提供了新思路。
納米結構電極
碳納米管（CNT）和石墨烯的納米結構工程是提升傳感性能的關鍵。通過構建三維結構、異質原子摻雜或與其他材料復合，可以增加電化學活性位點，改善電子轉移。例如，單壁碳納米角（SWCNH）或CNT-金屬氧化物復合材料改性的電極，對DA、UA和AA的檢測展現出清晰的峰分離和低至納摩爾的檢測限。然而，這類納米材料電極的批量生產和性能一致性仍是挑戰。
印刷電極
以絲網印刷碳電極（SPCE）為代表的印刷電極技術，因其成本低、可批量生產、可靈活修飾等優點，在即時檢測領域極具前景。通過修飾石墨烯量子點（GQD）、離子液體（IL）、金納米粒子（AuNPs）或導電聚合物（如PEDOT:PSS），SPCEs已實現對多種生物分子（如DA、UA、5-HT、NO2-）的高靈敏度、高選擇性同時檢測。例如，GQD/IL-SPCE對DA和UA的檢出限分別達到0.06 μM和0.03 μM。這些平臺在尿液、血清乃至腦組織勻漿等真實樣本中得到了驗證，展示了其臨床應用的潛力。
挑戰與未來展望
盡管取得了顯著進展，但要實現可靠的體內應用和臨床轉化，仍面臨諸多挑戰。許多研究在非生理條件下進行，限制了其在復雜生物環境中的適用性。生物污染、信號重疊、傳感器長期穩定性不足以及生理環境中的多重分析能力有限是關鍵瓶頸。此外，納米材料修飾電極的批次間重現性和長期穩定性仍需改善。
未來的發展將聚焦于幾個方向：開發更先進的表面工程和功能化策略，以提高選擇性和抗污染能力；將多種納米材料集成到微型化、柔性或可植入的傳感平臺中，以適應復雜的生物環境；結合機器學習和人工智能模型來解卷積復雜的電化學信號，提高多分析物分辨的準確性；以及推動更多在體驗證研究，以評估傳感器在真實生理條件下的性能。通過持續創新，碳基電化學傳感器有望成為神經科學研究、疾病診斷和個性化醫療的強大工具。
