《Current Opinion in Electrochemistry》：From Bare to Functional: Modified Ultramicro- and Nanoelectrodes for Advanced SECM Applications
编辑推荐：
扫描电化学显微镜（scanning electrochemical microscopy, SECM）的性能受到测量中所用超微电极或纳米电极表面化学性质的强烈影响。对这些电极进行功能化，可以改善选择性，并引入特异性、电催化活性、抗污性能、分子识别以及裸电极无法
扫描电化学显微镜（scanning electrochemical microscopy, SECM）的性能受到测量中所用超微电极或纳米电极表面化学性质的强烈影响。对这些电极进行功能化，可以改善选择性，并引入特异性、电催化活性、抗污性能、分子识别以及裸电极无法实现的定制界面环境。本迷你综述考察了用于SECM的修饰超微电极和纳米电极的最新进展，涵盖无机涂层与颗粒、自组装单层（self-assembled monolayers, SAMs）和共价结合介体、聚合物与水凝胶，以及基于酶和适配体的界面。研究人员比较了这些修饰策略如何影响灵敏度、选择性、响应时间、空间分辨率、稳定性和制备，并考察了它们在pH、活性物种、代谢物及其他化学信号局域检测中的应用。新兴方法如表面结合介体、水凝胶界面和亲和型传感器，为无介体测量、暴露于空气样品的分析以及直接分子识别提供了新机遇。然而，可重复制备、电极组成与分析性能之间的定量关系以及标准化表征，仍然是重要挑战。解决这些局限性，对于将日益复杂的电极修饰转化为用于SECM定量化学成像的可靠工具至关重要。
扫描电化学显微镜（SECM）依赖超微电极（UME）和纳米电极实现局域电化学测量，电极表面化学直接决定其分析能力。裸电极在选择性、特异性、抗污性和分子识别等方面存在不足，表面功能化可引入上述特性并创造定制界面。然而，在微纳尺度上实现均匀可控的修饰面临几何控制、低信噪比、微型表面表征困难以及电极易损等挑战。为了厘清该领域的最新进展与瓶颈，研究人员综述了过去5年内用于SECM的修饰超微电极和纳米电极研究，按照无机修饰、有机修饰和生物修饰三种策略进行系统评述，重点比较了不同修饰对灵敏度、选择性、响应时间、空间分辨率、稳定性和制备复杂度的影响，并探讨了其在pH、活性物种、代谢物等局域检测中的应用。研究表明，无机金属氧化物涂层可实现宽范围近Nernstian响应，但响应速度和制备复杂性常需权衡；有机修饰通过自组装单层、表面结合介体或水凝胶提供分子级界面或三维微环境，但系统表征仍不足；生物功能化引入酶或适配体实现高特异性识别，却需平衡固定化策略与质量传输效应。总体而言，定量建立修饰方法、电极结构与分析性能之间的关系，并推动表征与报告的标准化，是将先进电极修饰转化为可靠定量化学成像工具的关键。
研究人员开展的工作属于综述性研究，全面梳理了无机、有机、生物三类修饰策略的代表性进展，评估各种方法在灵敏度、检测限、响应时间、稳定性、制备方式等方面的优劣。该综述强调，虽然功能化大大拓展了SECM的检测能力，但可重复制备、定量构效关系和标准化表征仍是制约其走向定量应用的核心障碍。未来发展方向包括：建立修饰参数与分析性能之间的定量关联，明确水凝胶在电极界面的溶胀与传质行为，发展基于适配体或抗体的亲和型传感界面，并推动灵敏度、线性范围、检测限、响应时间、漂移、稳定性、校准程序及电极间重现性等指标的规范报告。研究人员指出，只有将电极几何面积和电活性面积的测定方法一并报告，才能实现不同修饰策略之间有意义的比较，从而促进新兴电极设计转化为在复杂生物环境中可靠的定量SECM测量工具。
研究中采用的关键技术方法包括：恒电流阳极氧化制备WOx敏感层，电沉积制备RuOx、IrOx、Pt黑和普鲁士蓝修饰层，聚焦离子束（FIB）铣削与激光拉制构筑凹槽或锥形微电极，硫醇自组装形成单层分子界面，重氮盐电还原或共价偶联固定氧化还原介体，电聚合或交联策略固定酶，以及碳纳米管复合界面。文中涉及验证的模型体系包括X80钢与316L不锈钢腐蚀、变形链球菌（S. mutans）生物膜、MCF-7细胞释放一氧化氮等，未涉及临床样本队列。
**1. 无机修饰**
无机修饰可引入离子敏感性、电催化活性和增大的电活性面积。RuOx修饰Pt UME在pH 2–12范围内呈线性响应，灵敏度为-60.0±3 mV/pH，响应时间200 ms，适用于不锈钢腐蚀过程的局域pH成像。WOx修饰电极同样在pH 2–12范围内近Nernstian响应，灵敏度略低但响应快于100 ms，且通过恒电流阳极氧化即可制备，简化和提高了电极间一致性的可控性。IrOx修饰Pt UME的线性范围拓宽至pH 1–13，灵敏度为-60.5±5 mV/pH，但响应时间达数秒。此外，通过FIB和电沉积制备的“矛尖”金属电极在强酸或强碱条件下呈现超Nernstian偏移，其响应归因于低溶剂化条件下离子和水活度的显著变化而非传统Nernstian机制。多功能电极设计方面，环形双传感电极可同时测量Ca2?和pH，三电极毛细管系统同时监测H?O?和pH，说明多参数同步检测的可实现性。Pt黑修饰显著增加电化学活性面积并降低H?O?检测限至68±7 nM。单Pt颗粒修饰电极结合抗污单层，成功用于单细胞释放NO的检测。总体而言，无机修饰在pH定量、活性物种检测和多参数测量方面优势明显，但需在响应时间、稳定性和制备复杂性之间做出权衡。
**2. 有机修饰**
有机修饰提供分子级化学定义的界面或三维微环境。4-硝基苯硫酚（4-NTP）SAM修饰Au UME在pH 3–11范围内表现出近Nernstian响应，斜率57 mV/pH，在600 mV/s扫速下伏安信号稳定。将Ru(bpy)?电化学修饰至100 nm碳纳米电极，可实现对H?、O?、H?O?和多巴胺的SECM检测。将二茂铁（Fc）共价连接到Pt和碳纳米电极（直径约120和200 nm），可实现无溶性介体条件下的H?高分辨率成像，避免介体对生物样品的干扰。壳聚糖水凝胶经电沉积修饰到Pt UME上，通过“电沉积+拉制”策略获得尖端小至1 μm的细长凝胶电极，再经戊二醛交联增强机械强度，可在空气中维持局部电解质环境，实现对金属基底的电化学测量。这些研究表明，有机修饰既可作为分子识别界面，也可构建三维传质微环境，但需进一步表征介体固定化对灵敏度、响应时间和稳定性的影响，并阐明水凝胶溶胀、机械性能与传质行为对定量测量的影响。
**3. 生物修饰**
生物功能化通过酶或亲和受体引入分子识别能力。对于葡萄糖氧化酶（GOx）和乳酸氧化酶（LOx）修饰，比较了共价交联、聚合物包埋和物理吸附三种固定化策略，发现膜厚超过20 μm会因传质受限而降低灵敏度；交联LOx的检出限低于电聚合GOx，但电聚合和物理吸附在响应时间和空间分辨率方面更具优势。采用双UME结构，一根电极用于定位与逼近曲线测量，另一根电极以碳纳米管和GOx修饰，成功监测了S. mutans在蔗糖存在下的葡萄糖摄取行为。将GOx包埋于聚吡咯膜并结合普鲁士蓝型沉淀的10 μm Pt UME，在缺氧条件下的灵敏度高于常氧条件，证明低氧环境中酶电极仍可工作。对普鲁士蓝（PB）界面进行优化比较后发现，Pt黑沉积后再修饰PB可在灵敏度（29±2 μA/M）和稳定性（3.4小时）之间取得较优平衡，并可与GOx和己糖激酶联用，通过葡萄糖消耗间接检测ATP。适配体传感器方面，研究人员在25 μm Pt UME上沉积粗糙Au并形成适配体SAM，制备出微型E-AB传感器，通过方波伏安法检测多巴胺和ATP的检出限均达0.1 μM，响应时间约1 s。与依赖可扩散产物的酶传感器不同，适配体传感器在电极表面直接产生信号，有望减少信号损失与空间展宽。
**讨论与结论**
讨论部分强调，建立修饰方法、电极组成与分析性能之间的定量关系是当前的核心需求。IrOx传感器的比较表明，电沉积条件、基底材料、几何构型和后处理方式都会显著影响分析性能，名义上相同的敏感材料可能因制备差异而无法直接比较。水凝胶修饰虽可扩展SECM至非浸没样品，但溶胀会改变电极几何和电极-样品间距，分析物分配和扩散则影响灵敏度与响应时间，因此需要在水凝胶成分、机械特性、传质行为和电化学性能之间建立系统关联。适配体类亲和传感具有直接分子识别的潜力，但仍受目标传输、结合动力学、表面覆盖率和电子转效率限制。结论指出，未来修饰SECM电极的进展不仅依赖于日益复杂的表面功能化，更取决于对电极组成、结构和制备如何决定分析性能的理解；可重复制备、严格表征和标准化报告，对于将新兴电极设计转化为可靠、定量的SECM测量，尤其是在复杂生物环境中，至关重要。
