可持续空气等离子体再生丝网印刷金电极，具有增强的电活性表面积和生物传感性能

《RSC Sustainability》：Sustainable air plasma regeneration of screen-printed gold electrodes with enhanced electroactive surface area and biosensing performance

　　

微型电分析装置与丝网印刷电极（SPE）配对因其紧凑设计和最小分析物需求而日益流行。然而，其一次性使用性质和带有印刷贵金属（如金）的不可降解聚合物基底限制了其作为生物传感界面的可持续性。每次使用后丢弃每个电极既不经济也不可持续。研究人员引入了一种绿色空气等离子体清洁技术，可在10分钟内同时再生多个金SPE。空气等离子体处理导致表面亲水性、通过X射线光电子能谱（XPS）分析显示表面氮显著减少，以及通过Warburg阻抗表征的仅受氧化还原质量扩散限制的简化等效电路实现的近零电荷转移电阻。再生电极被重新用于制造基于电化学阻抗谱（EIS）的生物传感器，使用硫醇修饰的凝血酶结合适配体。电活性表面积增加1.24倍导致硫醇修饰的单链DNA（ssDNA）适配体固定化增加2倍，对50 nM凝血酶的传感器信号增加3倍。空气等离子体清洁是一种可持续且简便的技术，用于再生受污染的金SPE，用于生物传感器制造，具有增强的捕获探针负载和生物传感灵敏度。

**空气等离子体再生丝网印刷金电极：提升电活性表面积与生物传感性能的可持续策略**

**研究背景与问题**

生物传感器在医疗诊断、环境监测等领域应用日益广泛，其中丝网印刷金电极（gold SPEs）因成本低、微型化、样品需求量小等优势成为电化学生物传感器的重要基底。然而，传统丝网印刷电极设计为一次性使用，其聚合物基底与印刷贵金属（金）带来严重的资源浪费和环境污染问题。金矿开采的环境破坏性以及金价持续上涨（从2015年每盎司1068美元升至2024年2690美元）加剧了经济与生态压力。现有电极再生方法，如化学清洗或电化学处理，常使用有毒溶剂或复杂步骤，不符合绿色化学原则。因此，开发一种快速、环保、可规模化应用的电极再生技术具有迫切需求。等离子体处理已在表面清洁和活化中展现出高效、非接触、无溶剂等优势，但以往研究多聚焦于电极预处理激活，而非用于回收已固定生物分子的废弃电极。本研究旨在开发一种空气等离子体清洁协议，用于再生已用于凝血酶适配体传感器检测的金SPE，评估其清洁效率、电化学恢复程度及再生后传感性能的提升，并验证多次循环使用的可行性。

**研究内容与结论**

研究人员采用商品化空气等离子体清洁器（Harrick Plasma PDC-002）对已固定硫醇修饰适配体（thrombin-binding aptamer）和凝血酶蛋白的废弃金SPE进行再生处理。通过优化处理时间与功率（10分钟、高功率30 W），并联合电抛光（electropolishing，在0.5 M H₂SO₄中进行循环伏安扫描）步骤，实现了近零电荷转移电阻（R_ct）的恢复。X射线光电子能谱（XPS）和水接触角（WCA）测量证实，空气等离子体有效去除了表面有机污染物和生物分子，使表面碳含量从54.9%降至43.6%，氮含量从10.5%降至8.5%（但仍高于新电极），金原子百分比从13.9%升至22.5%，同时表面由疏水（101°）变为亲水（33°）。电化学表征显示，再生电极的电活性表面积从0.21 cm²（新电极）增至0.26 cm²，粗糙度因子从2.97增至3.64。在再生电极上重新构建凝血酶适配体传感器，其适配体固定化量较新电极提升约2倍，对50 nM凝血酶的传感器信号（ΔR_ct）提升约3倍。此外，电极可至少经历三次空气等离子体清洗循环而不发生形态退化，每次循环后均能恢复近零R_ct和稳定的电化学行为。该研究发表于《RSC Sustainability》，表明空气等离子体清洁是一种可持续、简便的电极再生方法，有助于推动电化学生物传感器制造的绿色化，符合联合国可持续发展目标（SDG-9产业、创新与基础设施，SDG-12负责任消费与生产）。

**主要关键技术方法**

本研究采用以下关键技术方法：1）空气等离子体清洁（Harrick Plasma PDC-002，射频放电，功率30 W，压力约0.7 torr，处理时间10分钟），用于同时再生多个金SPE；2）电化学阻抗谱（EIS，频率0.1 Hz–100 kHz，幅值5 mV），结合Randles等效电路拟合，评估电荷转移电阻（R_ct）和Warburg阻抗；3）X射线光电子能谱（XPS，单色Al Kα X射线源），分析表面元素组成（Au、C、O、N）；4）水接触角（WCA）测量（Theta tensiometer），表征表面亲水性；5）循环伏安法（CV）在0.5 M H₂SO₄中测定电活性表面积与粗糙度因子。所有金SPE均来自商业供应商Palmsens（ItalSens，工作电极直径3 mm）。

**研究结果**

**Mechanism of plasma cleaning**：研究人员描述了射频放电等离子体清洁器的工作原理：外部射频电源激发线圈产生交变磁场，加速反应室中气体分子，形成含氧活性自由基（如O、HO₂、O₃），这些自由基通过氧化分解破坏有机污染物。实验中，废弃金SPE（表面固定有硫醇化适配体SAM和凝血酶）经空气等离子体处理后，通过EIS和XPS验证了清洁效果。

**Influence of air plasma cleaning parameters on gold SPEs**：通过改变处理时间（5、10、15分钟）和功率（低7 W、中11 W、高30 W），发现10分钟高功率（30 W）处理可使R_ct从废弃电极的8.3 kΩ降至0.9 kΩ，接近新电极的1.2 kΩ。CV显示，等离子体清洁后电极的氧化峰电流（77.4 μA）高于新电极（44.5 μA），且峰电位差（ΔE_peak ≈ 0.11 V）更接近理想可逆行为。在H₂SO₄中的CV电抛光显示，等离子体清洁电极的真实表面积（S_true）为0.26 cm²，粗糙度因子为3.64，均高于新电极（0.21 cm²，2.97）。

**Electrode characterization by electrochemical impedance spectroscopy (EIS)**：EIS拟合显示，等离子体清洁后R_ct显著降低，有效电容从1.33 μF增至3.19 μF，归因于介电层厚度减小和表面积增加。异相电子转移速率常数从5.48×10^?4 cm s^?1增至6.51×10^?4 cm s^?1。

**Mass transfer diffusion of redox active species**：通过Randles–?ev?ík方程（CV）和Warburg系数（EIS）两种方法计算扩散系数（D₀），发现等离子体清洁后D₀略有降低（CV：5.86×10^?6 vs. 5.01×10^?6 cm² s^?1；EIS：6.84×10^?7 vs. 3.68×10^?7 cm² s^?1），可能归因于表面粗糙度增加导致的扩散路径弯曲。

**Surface chemistry analysis by XPS and water contact angle**：XPS显示，等离子体清洁后Au%从新电极的20.1%升至22.5%，C%从53.8%降至43.6%，O%从20.5%升至25.3%（因粘合剂氧化），N%从5.6%升至8.5%（仍低于废弃电极的10.5%）。WCA从新电极的101°降至33°（亲水）。Au 4f光电子谱显示等离子体未引起金氧化（保持Au⁰态）。

**Nyquist and Bode plot analysis of gold SPE**：经电抛光的等离子体再生电极在Nyquist图中无半圆特征，Bode图中相位角（φ）极小，表明电荷转移动力学极快，阻抗主要受Warburg扩散控制。等效电路简化为Ru与ZW串联。

**Aptasensor performance of regenerated gold SPE**：在再生电极上重新构建适配体传感器，电抛光后的等离子体再生电极显示出比新电极更高的适配体负载（ΔR_ct = 6.8 ± 1.2 kΩ）和凝血酶结合信号（ΔR_ct = 37 ± 4 kΩ），信号提升约3倍。未电抛光的等离子体再生电极性能低于新电极，表明电抛光步骤对恢复金表面硫醇-金键合至关重要。

**Effect of repeated cycles of plasma cleaning on gold SPE: removal of mercaptohexanol SAMs**：电极经历三次空气等离子体清洗（每次后电抛光）和MCH（mercaptohexanol, 巯基己醇）SAM形成循环，每次等离子体清洗后R_ct均恢复至近零，且MCH固定后R_ct回升，RSD从37%降至12%，表明重复使用性良好。SEM图像显示三次循环后金微粒形态无显著变化。

**总结讨论**

研究人员对再生电极的实用性进行了评估，并讨论了其可持续性意义。结论部分翻译如下：通过空气等离子体清洁成功再生金SPE，去除了表面附着的适配体和凝血酶。XPS和WCA测量结果显示，空气等离子体清洁创造了亲水表面且表面碳含量相对较低。对等离子体再生金电极进行电抛光，在铁/亚铁氰化物溶液中获得近零电荷转移电阻。同时，由于有效去除污染物并增加电活性表面积，电抛光的等离子体再生电极相较于新电极展现出更优的适配体传感器性能。总之，空气等离子体清洁通过高效去除表面SAM和多余粘合剂来增强电极性能，证据包括表面C%和N%显著降低以及近零电荷转移电阻。同时，开发的空气等离子体清洁技术通过回收废弃SPE促进了可持续生物传感器的发展。未来研究应验证等离子体再生和传感性能在更广泛电极材料（如其他金电极、碳电极和氧化铟锡电极）上的适用性，并评估其他识别元件和酶在等离子体再生电极上的固定化与活性保持情况，以拓展生物传感应用。