学术研究报告
本研究由武汉科技大学Biyuan Zhou、Jijiang Fu、Yonghao Yuan、Fang Han（通讯作者）、Kaifu Huo、香港城市大学Paul K. Chu及武汉科技大学Xuming Zhang（通讯作者）团队合作完成，成果发表于Microchemical Journal（2024年7月，卷205，文章编号111244）。论文标题为《Potential-dependent simultaneous detection of uric acid and glucose using dual-function Ni@CNT supported carbon fiber electrodes》，报道了一种基于核壳结构镍-碳纳米管（Ni@CNT）修饰碳纤维（CF）的双功能无酶电化学传感器，用于同步检测尿酸（UA）和葡萄糖（Glu）。
学术背景
糖尿病和高尿酸血症的早期诊断依赖生物标志物（如UA和Glu）的快速检测。当前酶传感器成本高、稳定性差，而无酶电化学传感器因其简单、高灵敏度备受关注。然而，现有方法面临两大挑战：一是UA和Glu氧化电位相近导致信号干扰；二是传统复合材料中碳纳米管（CNT）表面修饰会牺牲其电子传输效率。本研究旨在通过设计Ni@CNT-CF电极，结合电位调控策略，实现两种分子的高选择性同步检测。
研究流程与方法
材料制备
- 碳纤维（CF）合成：采用静电纺丝技术，将聚丙烯腈（PAN）溶液纺丝后经280℃空气稳定化和800℃氩气碳化，制得直径200-300 nm的CF。
- Ni@CNT-CF构建：通过浸渍法在CF表面负载醋酸镍，化学气相沉积（CVD）法在850℃下以丙酮为碳源生长CNT，形成核壳Ni@CNT结构。透射电镜（TEM）显示镍纳米颗粒（~5 nm）被石墨化碳层包裹，X射线衍射（XRD）证实金属镍和石墨碳的存在。
表征与优化
- 结构分析：SEM显示CNT均匀生长于CF表面；X射线光电子能谱（XPS）表明镍以金属态（Ni⁰）和氧化态（Ni²⁺）共存；拉曼光谱（ID/IG=1.21）表明CNT缺陷密度高，利于UA吸附。
- 电解液pH调控：通过调节KOH浓度（0.01–1 M）平衡UA和Glu的氧化电位差，0.1 M KOH下两者电位分离最佳（UA: 0.2 V, Glu: 0.6 V）。
电化学性能测试
- 循环伏安（CV）：Ni@CNT-CF在0.1 M KOH中呈现扩散控制过程，Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原对（0.3–0.7 V）为Glu催化活性位点，而CNT在低电位（-0.2–0.3 V）对UA响应。
- 安培检测：采用三电极体系（Pt对电极，SCE参比电极），UA检测限0.32 μM（线性范围1 μM–1 mM，灵敏度1.86 μA mM⁻¹ μg⁻¹），Glu检测限0.39 μM（1 μM–6 mM，灵敏度1.52 μA mM⁻¹ μg⁻¹），响应时间分别为3.7 s和2.8 s。
- 抗干扰性：0.6 V下5 mM Glu中200 μM UA干扰仅3.4%；0.2 V下UA检测不受Glu影响。其他干扰物（抗坏血酸、多巴胺等）影响可忽略。
实际样本验证
- 模拟体液与血清测试：UA和Glu的回收率分别为98.2±5.7%/108.9±4.7%（模拟液）和104.7%/104.5%（血清），优于商用酶法检测仪（如Sinocare EA-19）。
主要结果与逻辑关联
- 结构优势：Ni纳米颗粒提供Glu催化活性中心，CNT的高导电性和抗腐蚀性保障UA检测稳定性。
- 电位调控：通过电解液pH优化，实现UA（0.2 V）与Glu（0.6 V）信号分离，解决了传统方法的电位重叠问题。
- 性能验证：宽线性范围、低检测限和高选择性证实电极的实用潜力，血清测试结果与临床方法一致。
结论与价值
该研究通过创新电极设计（Ni@CNT-CF）和电位调控策略，首次实现无酶条件下UA与Glu的高效同步检测。其科学价值在于：
1. 机制创新：揭示了Ni与CNT的协同作用机制，为多目标检测提供新思路。
2. 应用潜力：传感器成本低、稳定性好（14天后性能保持>90%），适用于临床和家庭健康监测。
研究亮点
- 材料设计：核壳Ni@CNT结构兼具催化活性和电子传输效率。
- 方法创新：电位依赖检测策略避免复杂表面修饰，简化制备流程。
- 性能突破：同步检测的灵敏度和抗干扰性优于多数文献报道（如对比Wang et al.的Cu/ZnO@CNT传感器）。
其他价值
研究得到中国国家自然科学基金（22379116等）和湖北省创新群体项目支持，实验依托武汉科技大学和华中科技大学分析测试中心完成，数据可公开获取。