《Analytical Science Advances》：Monitoring of Metabolic Disorders Through Electro-Sensing of Riboflavin by Novel Super-Conductive Silver Ink Modified Paper
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本文報道了一種創新的紙基電化學微傳感器，用于快速、低成本地檢測血漿樣本中的核黃素（維生素B2）。該傳感器采用新型高導電銀墨水，通過筆繪（pen-on-paper）技術在纖維素紙上直接繪制微米級電極。此方法制備簡單、快速、成本低廉，所制電極具有優異的熱、機械和濕度穩定性。傳感器對核黃素表現出良好的線性響應（0.4–10 μM）、高靈敏度與選擇性，并成功應用于真實血漿樣本分析，為代謝紊亂相關疾病的即時檢測（POC）提供了具有潛力的便攜式平臺。
引言：核黃素檢測的重要性
核黃素（Riboflavin， RIB），即維生素B2，是一種水溶性維生素，是人體內眾多代謝和氧化還原反應的關鍵輔因子。它參與脂肪和蛋白質的分解、能量產生以及抗氧化防御機制。由于人體無法自身合成，核黃素必須從膳食（如肝臟、乳制品、全谷物、蔬菜）或補充劑中獲取。其缺乏可能導致光敏、貧血、生長遲緩和胃腸道問題等一系列嚴重的生理并發癥，與代謝紊亂密切相關。因此，在真實生物樣本（如血漿）中進行核黃素的快速、準確量化，對于臨床評估營養狀況、疾病診斷和食品藥物質量控制至關重要。
傳感平臺的構建：筆繪紙基電極
本研究核心是開發了一種基于筆繪（pen-on-paper）技術的可拋棄式電化學微傳感器。研究團隊合成了一種高導電性銀墨水，將其灌入圓珠筆芯，從而能夠在照相紙（cellulose substrate）上直接繪制出微米尺度（約85.78 μm）的電極圖案。得益于優化的墨水配方，繪制的電極在室溫下可瞬間干燥（約3秒），形成均勻、輪廓清晰且不擴散的高導電圖案。該電極在施加應力條件下表現出卓越的穩定性：在150°C高溫下電阻穩定在1.5 Ω，潮濕環境下為2.9 Ω，機械彎曲下為2 Ω。銀墨水在紙基上形成的三維網絡結構在應力下保持了導電性并防止了結構開裂。
電化學性能評估與傳感機制
傳感器的電化學表征和其對核黃素的檢測效能通過循環伏安法（CV）、方波伏安法（SWV）、計時安培法（ChA）和差分脈沖伏安法（DPV）系統評估。研究分為兩個階段：（I）純銀墨水電極；（II）固定了核黃素的銀墨水電極。在含有鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀（K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]）的電解質中，純銀墨水電極顯示出良好的電子轉移行為，陽極峰電流約為852.4 μA。在固定核黃素后，陽極峰電流強度顯著增加至5337.4 μA，表明核黃素的固定增強了電荷轉移。核黃素及其磷酸化形式（FMN）是一種氧化還原輔因子，可通過兩個單電子步驟（氧化態→半醌→氫醌）發生電化學還原/氧化。當FMN固定在銀電極表面時，它可以快速進行這些氧化還原步驟，隨后在電極和溶液氧化還原對（鐵氰化物/亞鐵氰化物）之間進行化學電子轉移，從而催化氧化還原反應，產生遠大于背景的催化電流。這解釋了與純銀墨水電極相比電流大幅增加的現象。銀墨水網絡提供了高導電性和催化活性的界面，顯著增強了傳感器對核黃素氧化反應的電化學響應速度和信號強度。
結構與成分表征
場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和能量色散X射線光譜（EDS）分析被用來系統研究電極的表面形貌、元素組成和尺寸。FE-SEM圖像顯示，銀墨水成功形成并固定在纖維素的微纖維網絡上，納米顆粒尺寸主要在50至75納米之間，呈準球形均勻分布，覆蓋致密。這種結構增加了有效表面積和電荷轉移動力學。SEM橫截面圖像證實了負載核黃素的銀納米顆粒墨水成功地滲透并固定在紙基的多孔表面，顯示出強大的界面結合力和機械穩定性。EDS定量分析顯示，固定核黃素后，樣品中除了主要的銀元素，還出現了碳、磷、硫和氮元素，這證實了核黃素在電極表面的成功固定。
分析性能與生物樣本應用
該微型電化學傳感器的分析能力通過方波伏安法（SWV）進行評估。傳感器對核黃素的響應在0.4至10 μM濃度范圍內呈現良好的線性關系，定量下限（LLOQ）為0.4 μM，線性回歸方程為 Ip(μA) = 1251.1 CRIB+ 19,341，R2= 0.9853。研究進一步將該傳感器應用于加標的人血漿樣本分析。在優化的條件下，傳感器在血漿基質中同樣顯示出清晰的線性關系（R2> 0.9829），校準曲線為 Ip(μA) = 1217.5 CRIB+ 8327.4，定量下限為0.4 μM，證明了其在實際復雜生物樣本中定量檢測核黃素的適用性。
方法驗證：選擇性、穩定性、重復性與重現性
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選擇性：在多種潛在干擾物（包括葡萄糖、尿酸、抗壞血酸、多巴胺及多種氨基酸）存在下，傳感器對核黃素（1 μM）的響應信號未發生顯著改變，表明其具有良好的特異性。
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穩定性：傳感器在連續4天的測試中，響應信號隨時間推移逐漸下降。這表明盡管傳感器在初期具有合適的穩定性，但其導電結構在紙基上的長期穩定性有限，因此更適合作為一次性器件使用，以確保穩定和可重復的電化學性能。
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重復性：對三個相同制備的電極在三個不同濃度（0.4, 4, 10 μM）下進行多次測量，計算得到的相對標準偏差（RSD）分別為3.4%、6.1%和8.04%，平均值（RSDAve）為5.84%，符合電化學傳感器公認的標準，表明方法具有可靠的重復性。
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重現性：使用三個獨立制備的電極在相同條件下測試，在0.4、4和10 μM濃度下獲得的電流響應標準偏差（SD）分別為6.35%、1.47%和4.39%。這些較低的SD值表明傳感器制造工藝具有出色的重現性，批次間差異小。
結論與展望
本研究成功開發了一種基于筆繪技術和導電銀墨水的新型紙基電化學微傳感器，用于核黃素的快速、便攜式檢測。該傳感器制備簡單、快速、成本低廉，電極表現出優異的穩定性，并對血漿中的核黃素實現了靈敏和特異的檢測，線性范圍為0.4–10 μM。這項工作首次采用了可即時干燥的銀墨水來快速、低成本地制造一次性電化學傳感器，為開發用于臨床診斷的經濟、準確、便攜的即時檢測（POCT）平臺開辟了新視角。未來可通過改進材料和制造策略，進一步推進該平臺的發展，以支持在人類血漿等復雜樣本中快速分析生物標志物。這些發現推動了用于電化學生物分析的紙基微傳感器的設計進展。
