综述：表面工程在光电化学传感平台发展中的作用

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Role of surface engineering in advancement of optoelectrochemical sensing platforms

表面工程通过自组装单层、纳米结构涂层、化学修饰及等离子体处理等技术优化电极界面，显著提升光/电化学传感器的灵敏度、选择性和稳定性。纳米材料如金属颗粒和碳基材料增强电子传递与光学信号互作，生物模拟修饰（如多肽涂层）减少非特异性吸附。集成光学与电化学信号传导机制，结合多功能纳米复合材料，推动微型化、便携式及多功能生物传感平台发展。最新研究聚焦于表面工程策略的协同作用，为医疗诊断、环境监测等领域的高效检测技术提供新路径。

　　表面工程在开发高性能的光-电化学生物传感器中占据着核心地位，因为它直接影响传感器的灵敏度、选择性和稳定性。本文探讨了多种表面修饰技术，这些技术通过优化电极界面，提升了生物识别能力和信号传导效率。关键方法包括自组装单分子层（SAMs）、纳米结构涂层、化学功能化以及等离子体处理，每种方法都针对不同的表面特性进行优化，如粗糙度、亲水性和电荷分布。纳米材料，如金属纳米颗粒和碳基纳米材料，在提升电子转移动力学和光-物质相互作用方面发挥着重要作用，从而增强传感器的整体性能。此外，生物仿生修饰，如肽或聚合物涂层，有助于实现选择性的分子识别，减少非特异性相互作用。通过设计和优化光-电化学信号传导机制，光子和光电活性表面的协同作用进一步提升了传感器的性能，使得实时、无标记的检测成为可能，并且具备超低的检测限。近年来，混合纳米材料和多功能界面的发展为下一代生物传感器提供了新的发展方向，这些传感器在微型化、便携性和多路复用能力方面表现出显著优势。本文回顾了表面工程策略在光-电化学传感平台开发中的最新趋势、挑战和未来展望。通过结合定制化的表面修饰和创新的材料设计，研究人员可以开发出更高效、成本更低且可扩展的生物传感平台，广泛应用于生物医学诊断、环境监测和食品安全领域。

生物传感器的引入彻底改变了诊断、环境监测和科研领域，使得目标分析物或生物分子的快速、现场、特异性和灵敏度检测成为可能。生物传感器的基本运行依赖于生物识别组件与换能器之间的相互作用，换能器将生物信号转化为可量化的响应。这些相互作用的有效性在很大程度上受到表面工程技术的影响，表面工程技术对于提高传感器的灵敏度、选择性和稳定性至关重要。表面工程指的是在纳米尺度或分子层面对传感表面进行修饰，以最大化生物分子的结合能力，抑制非特异性相互作用，并增强信号放大。这种修饰可以通过多种不同的方法实现，如纳米材料涂层、化学功能化、自组装单分子层（SAMs）、聚合物功能化等，从而提升生物传感器的质量和功能。

不同类型的纳米材料，如金纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯和量子点，已被广泛用于传感探针的表面修饰。它们提供了更大的表面积用于生物分子的固定，提高了电化学换能系统中的电子转移效率，并有助于光子性能的提升，最终增强光学生物传感器的信号强度。化学功能化是一种重要的表面工程技术，它涉及在探针表面引入特定的化学基团，以促进选择性生物分子的结合。在这一过程中，使用了多种化学反应，如EDC/NHS偶联反应（用于羧基）、席夫碱形成（用于醛基）以及点击化学（用于叠氮-炔反应），这些反应有助于形成强而稳定的界面。此外，引入特定的功能基团，如羟基（–OH）、氨基（–NH2）、羧基（–COOH）、巯基（?SH）和环氧基（?O?），有助于增强生物分子在传感表面的锚定能力，提高反应效率、电荷调节，实现优异的选择性和可重复使用性，并调整亲水性。

自组装单分子层（SAMs）是一种精心设计的分子组装结构，它们通过化学吸附自发地在固体表面形成。常见的SAMs包括在金表面的硫醇、在硅表面的硅烷以及在金属氧化物表面的磷酸盐。这种结构能够调节表面特性（如亲水性、电荷和功能），促进生物分子的定向固定，提高结合效率，减少非特异性吸附，并改善信噪比。聚合物功能化方法包括使用不同的功能聚合物，如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（Ppy）、聚噻吩（PTH）和聚（3,4-乙二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT: PSS）进行涂层，以增强传感探针的表面性能。这种方法通过引入功能基团来提高生物分子的固定能力，促进电荷转移，增强生物相容性，并提升表面稳定性。这些技术不仅增强了界面性能，还提高了信号传导效率，从而提升了传感器的灵敏度和检测限。

在最近的一项研究中，Negahdary等人讨论了用于提高电化学生物传感设备的信号界面工程技术。该论文主要关注不同类型的3D打印平台、可拉伸电极和激光诱导石墨烯界面，以提高电化学生物传感器的灵敏度和耐用性。另一篇文章由Zou等人撰写，探讨了纳米技术在开发先进多路复用设备中的进展。该综述文章主要解释了薄层纳米涂层、微-纳米3D结构和纳米标签在多路复用传感平台中的应用。另一篇文章由Pimpilova撰写，讨论了不同方法和材料用于电极的修饰，以开发具有更高灵敏度和选择性的生物传感器。该论文涵盖了化学和涂层方法、电化学方法以及用于电极修饰的材料。此外，在Zhao等人的研究中，探讨了微/纳米材料在光学生物传感器开发中的应用。该综述文章主要关注不同类型的等离子体纳米结构和表面增强光谱技术，以提高光学生物传感器的灵敏度。尽管这些综述具有重要意义，但它们通常只专注于提高电化学或光学生物传感器，而忽略了其他方法的综合应用。因此，需要一份全面的报告，将各种技术整合到一篇文章中，以推动高性能光-电化学生物传感器的发展。本文详细阐述了各种表面工程技术，以提升生物传感器的灵敏度、选择性和信号放大能力。不同的策略和方法在信号放大方面的作用也将在后续部分进行详细讨论。这些表面工程技术在光-电化学传感器开发中的应用，以及通过不同方法进行的制造过程，已被详细阐述，用于检测不同类别的生物分子。除了详细讨论外，本文还通过表格形式比较了全球范围内开发的光-电化学生物传感器，涵盖其制造方法、检测技术、分析细节等。本文探讨了这些不同技术如何帮助实现所需的信号放大，同时保持高灵敏度和选择性。它为读者提供了关于不同表面功能化方法及其在设计和制造先进生物传感平台中的应用的全面概述。

在光-电化学生物传感器中，信号放大是提升检测性能的关键因素。通过表面工程技术，如纳米材料的集成、化学功能化和生物分子的固定，可以有效增强信号放大，从而提高传感器的灵敏度和选择性。纳米材料的引入显著增加了传感表面的面积，使得生物分子能够更有效地结合，从而增强信号传导。同时，纳米材料还优化了电子转移过程，提高了电化学换能的效率。此外，表面工程还通过调整光学参数，如光子相互作用和表面增强效应，增强了光学换能的性能。这些技术的结合使得光-电化学生物传感器能够实现更高的检测灵敏度和更低的检测限。

在实际应用中，表面工程不仅提升了生物传感器的性能，还拓展了其在不同领域的应用范围。例如，在生物医学诊断中，高灵敏度和选择性的传感器可以用于检测微量的生物分子，从而实现早期疾病诊断。在环境监测中，这些传感器能够实时检测污染物，提供快速、准确的环境数据。在食品安全领域，它们可用于检测有害物质或病原体，保障食品质量与安全。这些应用的实现依赖于表面工程的创新，以及不同技术的协同作用。

光-电化学生物传感器通过结合光学和电化学换能技术，为生物分子的高灵敏度和特异性检测提供了强大的平台。这种传感器不仅能够检测目标分子，还能够通过实时监测和无标记检测的方式提供动态数据。纳米材料的集成、化学功能化和生物分子的固定作为表面工程的一部分，显著增强了这些传感器的性能。一些开创性的方法，如等离子体纳米结构、电活性材料和酶辅助技术，也正在被探索和应用，以进一步提高检测能力。

在具体实施中，表面工程方法的应用涉及多个步骤。首先，选择合适的纳米材料进行表面修饰，以增加表面积并优化电子转移。其次，通过化学功能化引入特定的化学基团，以促进生物分子的结合和减少非特异性相互作用。此外，利用聚合物功能化方法，如使用聚苯胺、聚吡咯等材料，可以增强生物传感器的稳定性和灵敏度。这些步骤的结合使得传感器能够在复杂环境中保持高效的工作性能。

随着技术的不断发展，表面工程在光-电化学生物传感器中的应用也在不断拓展。例如，通过设计和优化表面结构，研究人员能够实现更高效的信号传导和更精确的生物分子识别。同时，结合多种表面工程方法，如纳米涂层、等离子体处理和生物仿生修饰，可以进一步提升传感器的性能。这些技术的整合不仅提高了传感器的灵敏度和选择性，还增强了其在不同环境下的适应能力。

此外，表面工程还为传感器的便携性和多功能性提供了新的可能。例如，通过微型化和集成化的设计，研究人员能够开发出便携式的生物传感器，适用于现场检测和实时监测。同时，多路复用技术的应用使得传感器能够同时检测多种生物分子，提高了检测效率和信息量。这些技术的结合使得光-电chemical生物传感器在生物医学、环境监测和食品安全等领域的应用更加广泛。

总之，表面工程在光-电化学生物传感器的开发中发挥着至关重要的作用。通过优化表面特性，如粗糙度、亲水性和电荷分布，可以显著提高传感器的灵敏度、选择性和稳定性。不同的表面修饰方法，如纳米材料涂层、化学功能化和生物仿生修饰，为传感器的性能提升提供了多种途径。这些技术的整合不仅增强了传感器的性能，还拓展了其在不同领域的应用范围。未来，随着表面工程技术的进一步发展，光-电化学生物传感器将在更多领域发挥重要作用，为生物医学、环境监测和食品安全提供更高效、更可靠的技术支持。