电化学接枝策略构建生物传感界面：从机理到性能

《ChemComm》：Electrografting strategies for fabrication of biosensing interfacesOpen Access

　　

生物传感器日益需要能够在重复测量循环和复杂生物基质中存活的、具有空间定义的化学修饰。电化学接枝已成为构建稳定且明确界定的生物传感界面的重要表面修饰策略。电化学接枝提供了更强的界面稳定性、更广泛的基底兼容性以及对表面功能化更好的控制。本篇综述文章追溯了电化学接枝的机理演变，从基于重氮盐的自由基接枝到生成卡宾及可点击化学。随后，研究人员审视了这些策略如何在近年来帮助开发功能性生物传感器。电化学接枝方法与功能材料的持续进步预计将进一步推动用于临床应用的生物传感技术发展。

1. 引言

生物传感界面已从简单的物理吸附识别层发展为经化学工程设计的架构，以提供改善的稳定性、可重复性和信号转导。早期电化学生物传感器依赖于生物分子直接物理吸附或非特异性截留在裸露的金属、碳或半导体表面。这些方法通常受限于弱的界面相互作用、不可控的分子取向以及重复测量过程中的逐步脱附。随着生物传感应用扩展到各个领域，对稳定可靠界面的需求日益增强。这些挑战推动了表面化学从自组装单分子层（SAMs）和硅烷化向着电化学驱动接枝方法的演进，后者能够提供对表面功能化的精确控制。

电化学接枝被定义为通过电化学触发反应在导电或半导体表面上形成共价键合的有机或有机金属薄膜。电化学接枝能够通过生成化学定义明确、共价功能化的界面来克服生物传感中的生物基质效应，该界面可支持稳定的生物受体固定化，同时减轻非特异性相互作用和表面污染。图解1表明，施加的电势通过电极-电解质界面处局部电化学生成的高活性中间体驱动界面反应，该中间体共价附着于基底，产生稳健且稳定的表面层。电化学接枝与常规电沉积的根本区别在于：接枝层是通过电化学生成的活性中间体与电极表面之间形成共价键而产生的，而非通过物理沉积。而液相偶联方法（如硅烷化或EDC/NHS化学）则依赖化学反应在表面附着之前或过程中产生活性物种。值得注意的是，研究人员探索了N-琥珀酰亚胺丙烯酸酯（NSA）电化学接枝用于构建生物分子功能化的碳界面。Zhang等人报道了将NSA电化学接枝到单壁碳纳米管（SWNTs）上，随后在所得聚（NSA）层上共价固定葡萄糖氧化酶（GOx）。随后，NSA电化学接枝被应用于还原氧化石墨烯修饰的玻碳电极上，用于GOx的共价固定和葡萄糖传感。这些研究共同证明了电化学接枝层作为稳定生物分子固定化和生物传感活性平台的潜力。虽然早期研究主要集中于理解电子转移的基本动力学和自由基副反应，电化学接枝已转变为一种高度可重复的标准方法，用于制造稳定且可再现的生物识别层。总体而言，这些机理进展展示了从不受控的自由基接枝向精确控制的界面工程转型。精确控制的电化学接枝可通过空间位阻或自由基捕获等方法将膜生长限制在单层或超薄范围内。除了综述电化学接枝化学外，本文还将接枝策略和机理与生物偶联路线、换能器选择和生物传感器性能联系起来，为生物传感界面设计提供了从机理到性能的视角。以下章节讨论了电化学接枝策略、电化学接枝方法及其作为现代电化学生物传感首选的结构优势，随后介绍了它们在核酸探针、抗体和微流控生物传感平台的电化学接枝界面中的应用。

2. 电化学接枝策略

电化学接枝策略的最新进展显著细化了对表面生物功能化的机理理解和实际控制。在电化学产生活性中间体方面，现代研究表明，表面修饰是通过电子转移事件引发的，该事件在电极-电解质界面产生高活性自由基或离子物种。最广泛采用的途径仍然是芳基重氮盐的电还原。在该机理中，单电子转移诱导重氮基团断裂，释放氮气并生成瞬态芳基自由基。该自由基迅速与碳、金属或金属氧化物基底形成共价键（如C–C、C–M）。该自由基途径现被公认为生物传感器制造中的主导途径，因其多功能性和强接枝稳定性。

最成熟的方法涉及芳基重氮盐的电还原，其中单电子还原通过协同途径（同时脱去二氮）或逐步机理（经由芳基重氮自由基（Ar–N═N˙）中间体）生成芳基自由基（图1a）。这些自由基迅速与导电和半导体基底形成强共价键，产生稳健且化学稳定的表面修饰。除重氮化学外，电化学接枝已扩展到替代性活性中间体和基底类别。唑鎓盐的电化学还原产生自由基物种，其吸附到天然钝化的金属表面，随后生成表面结合的N-杂环卡宾（NHC）单分子层。在温和条件下，该方法可实现对Ni、Fe和钢电极的高效功能化（图1b），为钝化金属提供了一种快速、简单且广泛适用的吸附方法。自由基电化学接枝也已应用于二维材料，其中卤代羧酸（如碘乙酸）的还原裂解产生羧甲基自由基，其共价修饰MoS₂，为后续化学功能化产生稳定的羧基功能化界面（图1c）。另一种通用策略采用受保护的乙炔基芳基重氮盐在碳电极上安装末端炔烃官能团。化学脱保护后，暴露的炔烃可作为后续表面缀合的正交反应手柄，例如Cu(I)催化的叠氮-炔环加成（CuAAC），促进功能分子层的受控组装（图1d）。这些代表性实例突显了电化学接枝在导电和半导体表面上用各种官能团进行共价修饰的多样性。

3. 电化学接枝方法与表征

3.1. 电化学接枝条件

作为一种电化学方法，电化学接枝反应通常在电位扫描（伏安法）或恒电位条件下进行。这些方法对自由基生成、膜生长和表面覆盖提供不同程度的控制。图2展示了两种不同电极材料上电化学接枝相关的电化学行为。在将羧甲基基团电化学接枝到MoS₂表面（?1.4 V，60 s）期间，图2a中的电位响应表现出尖锐的初始阴极电流，随后逐渐衰减至稳态，表明该过程是表面限域过程。在图2b中，激光诱导石墨烯（LIG）电极的循环伏安图在约?200 mV处显示阴极还原峰，表明重氮前体的电化学还原以及羧基苯基基团成功共价连接到LIG表面。控制接枝层的密度和组成对于可靠生物传感界面至关重要。重氮电化学接枝的机理研究表明，该过程通过竞争的叠氮自由基和芳基自由基中间体进行，而非单一途径（使用循环伏安法，图3a）。在比?0.8 V更正的电位下，芳基自由基接枝占主导，产生更厚且无偶氮的膜。而更负的电位则有利于叠氮接枝和界面偶氮掺入，同时通过芳基自由基还原来抑制进一步的生长。此外，2,2-二苯基苦基肼/N-叔丁基-α-苯基硝酮（DPPH/PBN）在选择性捕获自由基以控制途径和层密度方面发挥重要作用。图3b突显了氧化还原活性重氮修饰剂如何对膜生长提供额外控制。含12碳脂肪链的苝二酰亚胺基团（aC₁₂PDI）的接枝在0 V时自限制，因为烷基间隔基在单层形成后钝化表面，而在?0.5 V时表面结合的PDI还原能够实现电子传输并促进多层生长。在?0.6 V时，溶液相PDI还原触发氧化还原交叉抑制，在重氮到达电极之前消耗重氮，从而阻止接枝。一种相关策略无需氧化还原活性修饰剂即可实现相同的自限制效果，即环境双氧还原为超氧化物会耗尽电极表面的重氮，产生超薄且无介体的单层。这种电位依赖性行为表明分子设计和电化学控制如何共同调整层厚度和功能，以适应不同电化学接枝方法的生物传感界面。芳基重氮电化学接枝仍然是碳和金属电极上创建稳定共价锚点最广泛使用的策略；然而，研究已转向克服重氮阳离子在水性介质中固有的不稳定性。此外，电氧化和电还原接枝路线的选择日益由目标应用决定。例如，胺和羧酸根的电氧化现频繁应用于导电纳米材料上，以产生增强信号转导的低导电性有机涂层。末端炔烃也可以在没有重氮前体的情况下电化学接枝。例如，炔烃C–H键的阳极氧化生成炔基自由基，其直接接枝到玻碳上。

为了扩展到分子单层之外，电引发接枝方法还可生成三维、生物相容性基质，同时固定识别元件并传导生物信号。电接枝引发的电聚合和电沉积已发展出产生氧化还原整合的分子印迹聚合物（eMIPs）。这些系统利用优化的扫描速率来工程化更致密、更具选择性的膜，用于皮质醇等分析物的无试剂检测，其中聚合物基质直接在电沉积纳米颗粒上生长，以最大化有效表面积并降低电荷转移电阻。

表1总结了用于表面功能化的主要电化学接枝方法，突显了其潜在机理、活性中间体、优势和局限性。尽管重氮盐还原仍是最广泛使用的策略，但不受控的多层形成仍是常见缺点。替代方法，包括伯胺氧化、烷基卤还原、Kolbe电化学接枝、N-杂环卡宾（NHC）电化学接枝和电接枝引发聚合，提供了不同的优势，如自限制生长、直接C–C键形成、高表面稳定性或增加的功能基团负载。然而，这些方法也带来挑战，包括高工作电位、有限的基底兼容性、多层形成或降低的分子精度。电化学接枝方法的选择取决于所需的表面架构、基底材料和生物传感性能，并需平衡每种技术的具体优缺点。

3.2. 电接枝膜的表征

确认成功接枝并表征所得功能层需要互补技术的组合，因为没有任何单一方法能够完全描述膜组成、厚度和分子取向。X射线光电子能谱（XPS）有助于识别接枝层的元素组成和键合环境。XPS是区分共价连接官能团与物理吸附物种的关键工具之一，并提供表面组成和接枝密度的信息。原子力显微镜（AFM）提供膜厚度和表面形态的直接测量，最终通过台阶高度分析区分单层与多层生长。拉曼光谱可报告接枝膜的分子结构，并能检测与聚合或交联相关的结构变化，这些变化仅靠XPS不易分辨。电化学阻抗谱（EIS）跟踪膜构建过程中界面电荷转移电阻的变化，为接枝和封闭步骤提供灵敏的、无标记读出。由于EIS的灵敏性和无标记特性，它也被用作电接枝生物传感平台的检测方法。

4. 电化学接枝的优势

电化学接枝提供了一系列优势，使其在生物传感界面制造中区别于被动表面修饰策略。在空间和时间控制方面，接枝过程的电化学性质将分子沉积严格限制在极化电极区域，通过施加或移除电位按需启动和终止接枝；这一点已通过表面增强红外吸收光谱（SEIRAS）在石墨烯-金基底上的实时监测得到说明，其中以毫秒级时间分辨率原位跟踪了氨基自由基形成和表面键合的开始与终止。该方法通过调制电荷转移和脉冲参数提供可调的膜厚度和表面覆盖，这对于创建保持高灵敏度的低阻抗防污层至关重要。此外，其与多种基底的兼容性使其成为现代可穿戴生物电子学的适用工具。

5. 电接枝生物传感界面

生物传感界面代表了识别事件被转导为信号的平台，以高选择性、灵敏度和操作稳定性检测生物分析物。结构上，生物传感器包含组织化的组装体，由识别目标的生物受体以及使非特异性吸附最小化的被动层组成，位于基底上。生物界面的架构影响界面性质，如化学稳健性、生物分子构象和电子信号，直接影响所需生物传感器的精密度和准确度。因此，合理的界面设计要求对表面化学、电子性质和界面性质进行精确控制，以确保高效转导，同时维持活性生物传感表面。根据接枝膜的末端官能团，在两步策略中，带有–COOH、–NH₂或硝基/叠氮等末端基团的反应性重氮盐被电化学接枝，随后通过碳二亚胺（EDC/NHS）或点击偶联寡核苷酸。特别是，表面被工程化以增强生物识别元素的表面覆盖、抑制非特异性吸附，并提高复杂基质中的信噪比。电接枝界面上成功的生物偶联要求保持生物分子活性、控制探针可及性并最小化非特异性吸附。固定化策略应保持生物识别元件的天然结构和结合活性，同时对其取向和表面密度提供适当控制，以维持可及的识别位点。还应最小化与蛋白质及其他基质成分的非特异性相互作用，以确保复杂样品中的选择性。这些要求影响两步策略和一步策略之间的选择。在两步方法中，首先制备反应性电接枝膜，然后通过EDC/NHS或点击反应等化学方法进行探针固定化，从而对表面功能和探针负载提供更大控制。在一步方法中，预功能化的探针-重氮缀合物被直接电化学接枝，简化了制造过程，但对界面探针密度的独立控制较少。

5.1. 电接枝DNA生物传感器

电化学接枝已成为将核酸探针锚定到电化学换能器上的优选策略，因为重氮（或其他自由基前体）还原时形成的共价芳基-电极键能够抵抗重复杂交/变性和洗涤循环中的脱附。路线选择以及换能器的性质（金属、平面碳、丝网印刷碳、硼掺杂金刚石或二维纳米材料修饰电极）决定了探针密度、杂交效率以及最终灵敏度，以下代表性研究对此进行了说明。在图4a中，研究人员看到了更常规的路线，Techakasikornpanich等人通过原位重氮化将4-氨基苯乙酸（CMA）电接枝到金丝网印刷电极上，形成共价羧基封端膜，随后用EDC/NHS活化并与胺封端的LT基因探针偶联，用于无标记检测产肠毒素大肠杆菌。每一步（CMA接枝、探针偶联、BSA封闭）均通过电荷转移电阻（R_CT: 4.35 → 185.04 → 406.02 → 1041 kΩ）的稳步增加进行跟踪，并通过ATR-FTIR确认。目标杂交反而降低了R_CT，可能是由于杂交双链体与富含sp²的CMA层之间的π–π堆积，这改善了界面处的电荷转移。该检测方法的检测限达到1.9 × 10^?8 μg mL^?1，并针对其他食源性细菌保持特异性。图4b展示了首次通过电接枝将DNA探针固定在MoS₂上，其中Asad等人通过计时库仑法界面定量测定了DNA表面覆盖度。具体而言，碘乙酸首先在?1.4 V下电接枝到MoS₂表面，以生成共价结合的羧基封端界面。随后表面羧基经EDC/NHS化学活化，实现胺修饰DNA探针的共价固定化，同时用6-氨基-1-己醇（AH）封闭残余活化位点以最小化非特异性吸附。使用六氨合钌（III）氯化物（RuHex）氧化还原探针和计时库仑技术对固定化DNA进行定量，其中静电结合的RuHex分子与DNA磷酸骨架结合，通过将吸附的RuHex数量与每条链的磷酸基团数相关联，可以计算DNA表面覆盖度（Γ）。所得吸附等温线遵循Langmuir行为，表面覆盖度随探针浓度增加并在2.3 × 10¹⁴分子cm^?2达到饱和值，表明在电接枝MoS₂界面上形成了密集堆积的DNA单层。这些研究表明，电接枝可以为探针在普通电极上提供共价立足点。

5.2. 电接枝免疫传感器

电接枝免疫传感器将电化学表面功能化策略进一步扩展到抗体的固定化。与短寡核苷酸不同，抗体是大的多结构域糖蛋白，其分析性能高度依赖于固定化后天然三级结构的保持和抗原结合（Fab）结构域的可及性。被动吸附因其简单性而仍具吸引力，但其依赖弱非共价相互作用，往往产生异质抗体取向和随时间的部分脱附。通过在电极表面直接形成共价结合的有机中间层，电接枝克服了这些局限性，同时允许对膜厚度和配体密度进行精确电化学调控，以产生用于后续抗体附着的可重复、功能封端的表面。因此，固定化化学的选择是结合效率、传感器灵敏度和可重复性的关键决定因素。为了使用该电接枝框架构建生物传感界面，通常采用两种不同的制造策略。第一种是合成后偶联方法，其中反应性中间层在标准抗体偶联之前电沉积。第二种是预偶联方法，其中抗体预先用电话性前体功能化，用于直接表面电接枝。该免疫传感器制造策略的代表性示例为ALS相关神经丝轻链（Nf-L）蛋白在血清中的检测。Adil等人利用电接枝在还原氧化石墨烯（rGO）丝网印刷电极上创建稳定的共价连接。该过程涉及循环伏安法（3圈，0.4至?0.6 V，200 mV s^?1），以从4-氨基苯甲酸和NaNO₂原位生成的重氮阳离子溶液中接枝4-羧基苯基基团。这些羧基锚点通过EDC/NHS化学活化，以共价结合抗Nf-L抗体，形成特异性生物识别层。BSA封闭后，该平台通过电化学阻抗谱（EIS）测量传感响应，其中目标结合由于空间位阻而增加电荷转移电阻（R_ct）。该策略在血清样本中实现了0.087 ng mL^?1的检测限（LOD），具有较高灵敏度。另一个类似的基于电接枝的制造策略是用于SARS-CoV-2核衣壳（N）抗原检测的棉签免疫平台。通过原位生成的重氮盐还原，将4-羧基苯基层电接枝到碳纳米纤维修饰的丝网印刷电极上，随后通过EDC/NHS碳二亚胺偶联固定N抗原，并用BSA封闭残余位点。与用于双重样品收集和检测的吸收性棉签集成，该共价锚定平台实现了0.8 pg mL^?1的检测限，对甲型流感和其它冠状病毒的交叉反应可忽略不计。RT-PCR确认了健康对照的患者样本，强调了电接枝即使在现场部署格式中也能支持稳定、选择性的抗原固定化。类似地，一种使用重氮接枝的纳米纤维素/碳纳米管复合材料的双重平台共价固定抗体，用于同时安培测定 interleukin-12（IL-12）和interleukin-23（IL-23）。在这些研究中，电接枝为抗体固定化提供了稳健的共价界面，同时将电化学免疫传感扩展到多种目标，包括传染病抗原、神经退行性疾病生物标志物和炎症性疾病生物标志物。

5.3. 电接枝微流控生物传感器

电接枝也已被整合到微流控和芯片实验室格式中，将该技术推向制造小型化平台。空间限域电化学接枝允许在微通道内进行精确、局部的嵌入式电极功能化，比批量浸没方法提供更好的探针密度和取向控制，特别是位点选择性功能化。这已在适体功能化场效应晶体管探针上得到证明，其使用电接枝分子连接体用于多重神经化学检测（图6a）。这种多重传感界面利用位点选择性电接枝在柔性聚酰亚胺基底上功能化高密度石墨烯场效应晶体管（G-FET）阵列。制造过程涉及循环伏安法（5圈，0.5至?0.6 V）以接枝特定芳基重氮盐，在单个石墨烯通道上引入用于血清素检测的末端羧基（–COOH）连接体和用于多巴胺检测的胺基（–NH₂）连接体。这些连接体作为通过EDC/NHS化学固定适体的稳健共价锚点，与非共价方法相比，在生物流体中提供优异的长期稳定性。检测机制由目标诱导的适体构象变化驱动，该变化改变石墨烯通道中的载流子密度——导致血清素的n掺杂效应（电流降低）和多巴胺的p掺杂效应（电流增加），从而产生可测量的源漏电流调制。这种电接枝策略对两种分析物均实现了10 pM的检测限，并能够在复杂基质（包括脑脊液和脑组织）中进行实时神经化学监测。该微流控电接枝免疫传感器制造策略的另一个代表性示例是电接枝激光诱导石墨烯（E-LIG）免疫平台。Adil等人开发了该平台用于直接检测ALS患者脑脊液中的polyGP肽。图6b展示了制造策略，其中生物识别层通过共价连接阶段组装。使用激光在聚酰亚胺表面图案化通道，精确调控LIG的形成。首先通过循环伏安还原原位生成的重氮阳离子，将4-羧基苯基层电接枝到LIG表面，导致羧基基团共价接枝在LIG上。然后通过EDC/NHS介导的碳二亚胺偶联将抗polyGP捕获抗体固定在该活化表面上，在接枝的羧基和抗体的表面胺基之间形成稳定的酰胺键。然后，使用BSA封闭任何剩余的非特异性位点以完成生物识别层。该共价锚定界面在缓冲液和未稀释脑脊液中对polyGP均提供了高灵敏度和选择性，检测限分别为0.19和0.27 ng mL^?1，并且EIS研究表明在脑脊液中的校准精密度明显优于缓冲液。该传感器还清楚地区分了polyGP与来自同一C9orf72基因的结构相关二肽重复蛋白，证明通过电接枝实现的稳定、取向性抗体附着即使在复杂生物基质中也能保持灵敏度和特异性。

5.4. 其他类型的生物传感器

除核酸和抗体平台外，电接枝已扩展到多种生物受体，包括酶、适体、肽和其他生物及合成识别分子，每种受体对接枝界面施加了不同要求。同时为重金属离子监测、农药检测、食品安全、环境分析和毒素传感等应用中的电化学生物传感器提供了支持。其中，适体传感器使用接枝的适体中间层，其表面密度被严格控制以允许目标结合所需折叠。对于基于酶的生物传感器，电接枝层不仅必须共价锚定生物催化剂，还必须保持酶活性位点与电极之间有效电子转移所需的微环境，因为酶活性对构象应变和界面电荷高度敏感。葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶、乙酰胆碱酯酶、酪氨酸酶和漆酶等酶共价附着到功能化电接枝膜上，可减少酶泄漏并提高连续电化学询问下的操作耐久性。一种传感界面利用电接枝在玻碳上形成稳健的可点击单层，随后通过点击反应共固定化二茂铁标记的适体和两性离子磷酸胆碱基团，实现灵敏的奎宁检测，同时抑制非特异性蛋白吸附。该过程涉及循环伏安法（5圈，0.5至?1.0 V）接枝甲硅烷基保护的苯乙炔基重氮盐，随后用TBAF脱保护以产生末端炔烃锚点。随后的“点击”反应共固定化二茂铁标记的适体和两性离子磷酸胆碱（PC）基团，表面比例由溶液组成精确控制。PC基团建立水合屏障，有效抑制非特异性蛋白吸附，而适体则能够实现奎宁的电化学检测。目标结合诱导适体构象折叠，使二茂铁标记更靠近电极，显著增强电子转移速率。这种双功能方法实现了高灵敏度和抗生物污损性之间的最佳平衡，展示了奎宁在0.01至10 μM的线性检测范围。在一种相关方法中，电接枝被用于将重氮功能化的MoS₂直接附着到石墨烯丝网印刷电极上，形成共价MoS₂/石墨烯异质结，产生SARS-CoV-2刺突蛋白传感器。Enebral-Romero等人使用电接枝来构建换能器本身，而非简单地将探针锚定到现有表面。具体而言，电接枝被用于同时附着MoS₂并形成共价MoS₂/石墨烯异质结。重氮功能化的MoS₂在添加适体之前直接电接枝到石墨烯丝网印刷电极上，创建了用于检测SARS-CoV-2刺突蛋白的稳定平台。其检测限达到2.1 fg mL^?1，比通过简单物理吸附MoS₂薄片到相同电极上的对照（1.9 pg mL^?1）好约一千倍。另一种适体传感器设计将芳基重氮修饰的适体一步直接接枝到金上，形成比传统硫醇-金锚点更稳定的金-碳键，并连续监测抗生素万古霉素48小时。表2总结了使用不同电极材料、电接枝方法和生物受体固定化化学的代表性电接枝生物传感器平台。报告的分析性能在不同传感器平台间有所变化，LOD范围从pM到fg mL^?1，取决于换能器、目标和测定配置。这些实例证明了电接枝在开发具有不同电极平台和生物受体的灵敏生物传感器方面的多功能性。尽管具有这种多功能性，围绕可重复性、稳定性和实际转化的关键挑战仍未解决，值得更仔细地审视。

6. 差距与未来展望

尽管电接枝已成为共价表面功能化的成熟方法，但在其在生物传感中的全部潜力实现之前，仍有几个挑战。主要挑战之一是实现对接枝膜厚度和分子组织的可靠控制。开发促进受控单层形成同时维持足够表面覆盖度的反应条件和分子前体仍是一个重要研究目标。进一步进展还取决于改善电接枝界面的表征。尽管有互补技术可用，但对接枝结构、分子取向、表面覆盖和膜厚度的全面理解仍具挑战性。因此，整合多种表征方法与理论和机理研究对于建立更可靠的结构-性能关系非常重要。另一个有前景的方向是将电接枝与柔性可穿戴生物传感设备集成。尽管电接枝提供的强共价附着可以增强柔性传感界面在重复弯曲和拉伸过程中的机械稳定性，但它们在复杂生物流体中长期电位循环下的长期电化学稳定性仍未得到充分表征，值得进一步研究。此外，柔性电子和仿生材料正在实现先进的生理传感，包括同时监测汗液和呼吸，而软性和生物活性材料为桥接生物-非生物界面提供了新机会。结合导电聚合物、碳纳米材料、石墨烯、MXenes和其他二维材料，电接枝生物界面可以支持汗液、唾液、泪液和组织间液中生物标志物的连续监测。这些发展预计将扩大电接枝生物传感器在个性化医疗、远程患者监护和即时诊断中的应用。人工智能（AI）和机器学习也预计将在未来的电接枝生物传感平台中发挥越来越重要的作用。从应用角度看，应更多关注制造能够在复杂生物样品中可靠运行的可重复生物传感器。标准化制造方案、长期稳定性研究以及使用临床相关标本的验证对于将实验室演示转化为实际诊断设备至关重要。电化学控制、分子设计和材料工程的持续进步预计将进一步提高电接枝生物传感界面的性能和可靠性。

7. 结论

电接枝是一种高度通用且直接的界面功能化策略，可用于制造共价界定的生物界面。通过原位生成活性中间体，它能够在多种导电和半导体基底上实现稳定的功能化，超越传统的物理吸附和自组装。除了简单的生物受体固定化之外，当代电接枝还能精确调整界面动力学、探针密度和防污性能，为先进的生物传感器（DNA传感器、适体传感器、免疫传感器和酶传感器）提供卓越分析性能。然而，商业转化需要克服多层调控、可重复性和可扩展生产中的持续障碍。随着该领域的成熟，电化学控制、分子设计和先进纳米材料的持续创新将巩固电接枝作为稳健、高性能诊断平台基石策略的地位。