基于Fe₃O₄功能化MXene纳米片的新型电化学葡萄糖传感器的研究报告
一、 研究作者、机构及发表信息 本研究由来自沈阳师范大学化学与化工学院的Yu Yang, Danning Li, Changchang Zheng以及通讯作者Ling Zhang，与东北大学理学院化学系分析科学研究中心的研究人员Xuwei Chen（通讯作者）合作完成。研究论文《Glucose Sensor Using Fe₃O₄ Functionalized MXene Nanosheets as a Promising Sensing Platform: Exploring the Potential of Electrochemical Detection of Glucose》发表于学术期刊Chemosensors，具体出版时间为2026年1月8日，论文于2025年11月12日接收，于2025年12月18日修改，2026年1月4日最终接受。
二、 学术背景与研究目的 本研究的科学领域属于分析化学与生物传感器交叉领域，聚焦于第三代电化学生物传感器的开发。糖尿病作为一种慢性代谢疾病，其诊断与管理严重依赖于血糖浓度的精确监测。电化学检测方法因其简便、成本低、灵敏度高等优点，在血糖检测中备受关注。其中，第三代酶电化学生物传感器通过实现酶与电极之间的直接电子转移（Direct Electron Transfer, DET），避免了电子媒介体的使用，被认为是最理想的传感平台之一。然而，葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase, GOD）的活性中心被包裹在其蛋白质结构内部，阻碍了其与电极界面的有效DET，因此，寻找合适的电极材料以促进DET是构建高性能葡萄糖传感器的关键挑战。
近年来，二维纳米材料MXene（过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物）因其大的比表面积和优异的机械稳定性，在电化学传感领域显示出巨大潜力。然而，MXene表面带有强烈的负电荷，与同样在生理pH下带负电的GOD之间存在静电排斥，这严重阻碍了GOD在MXene上的有效固定。与此同时，磁性纳米材料四氧化三铁（Fe₃O₄）因其良好的生物相容性、环境友好性以及优异的导电性，在电化学催化和传感中展现出优势。研究表明，Fe₃O₄纳米颗粒不仅能提供高效的电子传导路径，还能增强酶的稳定性。
基于上述背景，本研究提出一种创新的策略：将Fe₃O₄纳米颗粒与MXene纳米片复合，构建一种新型的磁性纳米复合材料（Fe₃O₄@MXene）。本研究的主要目的是：1）开发一种简单的一锅水热法合成Fe₃O₄@MXene纳米复合材料；2）探究该复合材料作为传感平台对GOD的直接电子转移的促进作用；3）构建并系统评估基于Fe₃O₄@MXene/GOD的葡萄糖电化学生物传感器的性能，包括灵敏度、检测限、线性范围、选择性、稳定性和实际样品检测能力。该研究旨在克服MXene在酶固定方面的局限性，并利用Fe₃O₄与MXene的协同效应，为高灵敏、高稳定的葡萄糖检测提供一个新的、有前景的平台。
三、 详细研究流程与方法 本研究包含一个系统且完整的工作流程，主要可分为四个核心部分：材料合成与表征、电极制备、电化学性能研究以及传感器性能评估。以下是对每个流程的详细阐述。
第一流程：材料的合成与结构表征 该流程旨在制备和确认目标材料的结构与性质。 1. MXene（Ti₃C₂）的制备： 采用原位生成HF溶液的方法，从Ti₃AlC₂ MAX相中刻蚀掉Al层。具体步骤是将LiF缓慢加入浓HCl中搅拌，形成HF刻蚀剂，然后加入Ti₃AlC₂粉末，在35°C下搅拌24小时。随后通过反复离心水洗至中性，获得多层Ti₃C₂纳米片。接着，利用二甲基亚砜（DMSO）进行插层剥离：将多层Ti₃C₂分散于DMSO中搅拌24小时，离心后再分散于水中并超声处理，最终得到浓度为1 mg/mL的单层MXene分散液。 2. Fe₃O₄@MXene纳米复合材料的制备： 采用一锅水热法。将D-葡萄糖和六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O）加入到上述MXene分散液中，搅拌均匀形成黑色悬浮液。然后加入氨水溶液，继续搅拌。最后将悬浮液转移至聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在180°C下水热反应48小时。反应结束后，利用磁铁收集黑色沉淀物，并用去离子水和乙醇反复洗涤，干燥后得到Fe₃O₄@MXene纳米复合材料。 3. 材料表征实验： 使用多种技术对合成材料进行全面表征，以验证其成功合成并探究其物理化学性质。 * 形貌与元素分析： 采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察MXene、Fe₃O₄及复合材料的形貌、尺寸和分布。通过能量色散X射线光谱（EDS）进行元素面扫分析，确认Fe元素在MXene上的均匀分布。 * 晶体结构与表面性质： 使用X射线衍射（XRD）分析材料的晶体结构。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表面官能团。利用Zeta电位仪测量材料在不同状态下的表面电荷变化，这是本研究的一个关键表征，用于证实Fe₃O₄修饰改变了MXene的表面电荷。 * 化学组成与价态分析： 采用X射线光电子能谱（XPS）深入分析复合材料表面的化学组成和各元素的化学态，特别是C、O、Ti和Fe元素的成键情况，为Fe₃O₄与MXene之间的化学结合提供证据。
第二流程：电化学传感器的构建与优化 该流程专注于传感界面的构筑和条件优化。 1. 工作电极的制备： 采用简单的滴涂法。将洁净的玻碳电极（GCE）作为基底。将Fe₃O₄@MXene悬浮液、GOD溶液和Nafion溶液按一定比例混合，取7 µL混合液滴涂到抛光好的GCE表面，自然晾干后得到Fe₃O₄@MXene/GOD/Nafion/GCE修饰电极。作为对比，同时制备了MXene/GOD/Nafion/GCE和Fe₃O₄@MXene/Nafion/GCE电极。 2. 实验条件优化： 这是一个系统性步骤，旨在确定传感器的最佳构建参数。研究通过循环伏安法（CV）信号，逐一优化了四个关键参数：GOD的浓度、Fe₃O₄@MXene悬浮液的浓度、Nafion的含量以及GOD溶液与Fe₃O₄@MXene悬浮液的混合比例。每个参数都在其他条件固定的情况下进行测试，以寻找产生最大电流响应的最优值。最终确定的优化条件为：GOD浓度45 mg/mL，Fe₃O₄@MXene浓度2.5 mg/mL，Nafion含量1%（w/v），GOD与Fe₃O₄@MXene的混合比例为1:3（v/v）。
第三流程：电化学性能研究与机理探索 该流程利用各种电化学技术深入研究修饰电极的基本电化学性质和电子转移行为。 1. 直接电化学研究： 在氮气饱和的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中，对不同类型的修饰电极进行CV测试。通过观察GOD的特征氧化还原峰（对应于其辅基FAD/FADH₂电对），评估不同材料对GOD直接电子转移的促进作用。同时，利用电化学阻抗谱（EIS）分析电极界面的电子转移阻力。 2. 电子转移动力学分析： 在不同扫速下对Fe₃O₄@MXene/GOD/Nafion/GCE电极进行CV测试，根据峰电流与扫速的线性关系判断其表面控制过程。进一步，利用Laviron方程计算表观电子转移速率常数（k_s），定量比较不同电极材料的电子转移快慢。 3. 电化学反应机理验证： 在不同pH值的PBS缓冲液中测试电极的CV响应，根据式电位（E⁰）与pH的线性关系及其斜率，推断GOD在电极上发生的氧化还原反应所涉及的质子与电子数，验证其符合两电子两质子转移过程。
第四流程：传感性能评估与实际应用 该流程全面评估了所构建传感器的分析性能。 1. 葡萄糖催化氧化行为： 在空气饱和的PBS中，通过CV曲线观察电极对溶解氧和葡萄糖的响应，阐明基于“葡萄糖氧化-酶再生-电化学检测”的催化传感机理。 2. 定量检测性能： 采用差分脉冲伏安法（DPV）作为检测技术。在空气饱和PBS中，连续加入不同浓度的葡萄糖，记录DPV响应电流的变化。以葡萄糖浓度为横坐标，峰电流为纵坐标，绘制校准曲线，计算线性范围、灵敏度（Sensitivity）和检测限（Limit of Detection, LOD）。 3. 传感器选择性、稳定性和重现性测试： * 选择性： 在含有固定浓度葡萄糖的溶液中，依次加入高浓度的常见干扰物（如抗坏血酸AA、尿酸UA、多巴胺DA、L-半胱氨酸L-Cys），观察电流信号的变化。 * 稳定性： 将制备好的电极在4°C下储存15天后，重新测试其对葡萄糖的响应电流，计算其与初始信号的百分比。 * 重现性： 使用五支独立制备的相同电极检测同一浓度葡萄糖，计算其相对标准偏差（RSD）。同时，使用同一支电极连续检测十次同一浓度葡萄糖，计算其RSD。 4. 实际样品分析： 为了验证传感器的实用价值，将其应用于人工血清样品中葡萄糖的检测。采用标准加入法，向已知本底的人工血清样品中加入不同浓度的葡萄糖标准品，用所构建的传感器进行检测，计算加标回收率。同时，将传感器的检测结果与市售血糖仪（Sinocare）的测量结果进行对比。
四、 主要研究结果及其逻辑关联 本研究获得了一系列从材料合成到实际应用的有力结果，各环节结果环环相扣，共同支撑了最终结论。
在材料表征方面，结果证实了Fe₃O₄@MXene的成功合成及其优异特性。TEM和SEM图像清晰显示，尺寸约为18-29 nm的球形Fe₃O₄纳米颗粒密集且均匀地锚定在单层MXene纳米片上，形成了多孔结构。EDS面扫图证实了Fe元素在MXene表面的均匀分布。Zeta电位测量是关键结果之一：原始MXene电位为-30.1 mV，而GOD在pH 7.4下电位为-15.7 mV，两者均带负电，存在强静电排斥。经Fe₃O₄修饰后，复合材料电位变为+6.1 mV，表明表面电荷由负转正，这有效缓解了与GOD的静电排斥。在固定GOD后，复合材料-酶复合物的电位变为-11.6 mV，接近自由GOD的电位，直接证明了GOD的成功固定。XRD谱图中MXene特征峰（002）的消失，表明Fe₃O₄的引入有效抑制了MXene纳米片的重新堆叠，形成了有利于酶固定的二维开放结构。XPS分析进一步揭示了Fe₃O₄与MXene之间通过C=O和Ti-O-Fe等化学键结合，而非简单的物理吸附，这确保了复合材料的稳定性。
在电化学性能研究中，CV结果显示，Fe₃O₄@MXene/GOD/Nafion/GCE电极在-0.423 V（vs. Ag/AgCl）附近出现了一对清晰、可逆的氧化还原峰，对应于GOD中FAD/FADH₂电对，证实了直接电子转移的成功实现。其峰值电流（4.08 µA）是MXene/GOD/Nafion/GCE电极（1.34 µA）的三倍，直观表明Fe₃O₄@MXene复合材料显著提升了电子转移效率。表面覆盖度（Γ）计算值（1.70 × 10⁻¹⁰ mol cm⁻²）与GOD的理论单层覆盖度非常接近，说明酶被高效地固定在电极表面。EIS结果与此一致：Fe₃O₄@MXene基电极（无论是否固定GOD）的电荷转移电阻（R_ct）均显著低于对应的MXene基电极，表明复合材料的导电性更优，电子传输能力更强。更重要的动力学参数k_s的计算结果为：Fe₃O₄@MXene/GOD电极的k_s为9.57 s⁻¹，比MXene/GOD电极（7.57 s⁻¹）提高了1.26倍，定量证明了Fe₃O₄的引入确实加速了电子转移动力学。pH依赖性实验得到的斜率（-60.6 mV/pH）接近理论值（-58.6 mV/pH），证实了GOD在电极上的反应是两电子两质子协同转移过程，符合其经典电化学机理。这些结果层层递进，从观察到现象（出现氧化还原峰），到定量比较性能（电流大小、R_ct大小），再到深入探究机理（k_s、质子电子数），完整地论证了Fe₃O₄@MXene作为传感平台在促进GOD直接电子转移方面的卓越能力。
在传感器性能评估中，DPV测试得到了核心分析数据。Fe₃O₄@MXene/GOD传感器对葡萄糖的响应在0.05-15 mM范围内呈现双段线性关系：低浓度段（0.05-1.1 mM）的灵敏度高达120.47 µA mM⁻¹ cm⁻²，高浓度段（1.1-15 mM）灵敏度为18.89 µA mM⁻¹ cm⁻²，检测限低至38 µM（S/N=3）。与单纯的MXene/GOD传感器相比（线性范围：0.3-3.8 mM，LOD: 174 µM），其性能在所有关键指标上均实现了显著提升。尤其重要的是，其宽达0.05-15 mM的线性范围完全覆盖了临床血糖检测的关键区间（正常范围3.9-6.1 mM，糖尿病诊断值>11.1 mM），这意味着该传感器可能无需稀释即可直接检测全血或血清样本，具有极高的实用价值。选择性测试表明，常见干扰物对葡萄糖信号的影响可以忽略不计。稳定性测试显示，电极在储存15天后仍能保持92.3%的初始活性。重现性和重复性测试的RSD分别低至2.4%和2.04%，证明了制备工艺的可靠性和传感器响应的精确性。
最后，在实际样品分析中，传感器对人工血清中葡萄糖的加标回收率在101.40%至103.48%之间，RSD在1.93%至2.68%之间，显示出高准确度和精密度。与市售血糖仪的对比结果高度吻合，这进一步验证了该传感器在实际应用中的可靠性和潜在价值，将实验室研究成果向实际临床应用推进了一大步。
五、 研究结论与价值 本研究成功开发了一种基于Fe₃O₄功能化MXene纳米复合材料的新型第三代电化学葡萄糖生物传感器。通过一锅水热法合成的Fe₃O₄@MXene复合材料，不仅有效调控了MXene的表面负电荷，缓解了其与GOD的静电排斥，而且形成的多孔结构为酶的物理吸附固定提供了丰富位点。该复合材料结合了MXene的大比表面积和Fe₃O₄的良好生物相容性与高导电性，协同促进了GOD与电极界面之间的直接、快速电子转移。
该研究具有重要的科学价值和应用价值。科学价值在于：1）首次提出并实现了Fe₃O₄在MXene上的原位生长与复合，为MXene的表面功能化修饰提供了一种有效的新策略；2）系统揭示了Fe₃O₄修饰通过改变表面电荷和形成多孔结构来增强酶固定和电子转移的双重作用机制；3）获得了高达9.57 s⁻¹的电子转移速率常数，为设计高性能第三代酶生物传感器提供了新的材料平台和理论见解。应用价值在于：所构建的传感器表现出宽线性范围、高灵敏度、低检测限、优异的选择性、稳定性和重现性，并在模拟真实样本中取得了满意的检测结果，展现出在临床糖尿病监测、食品分析及生物过程监控等领域巨大的实际应用潜力。
六、 研究亮点 1. 材料设计新颖： 首次将磁性Fe₃O₄纳米颗粒与二维MXene纳米片通过一锅水热法复合，构建了Fe₃O₄@MXene磁性纳米复合材料，用于葡萄糖氧化酶的固定和直接电子转移研究。 2. 问题导向明确： 针对MXene表面强负电荷不利于固定带负电酶这一关键瓶颈，创新性地引入带正电的Fe₃O₄进行表面改性，从源头解决了静电排斥问题，设计思路巧妙。 3. 性能全面提升： 与单纯的MXene基传感器相比，所开发的传感器在检测限、灵敏度、线性范围等所有核心性能指标上均实现了显著跃升，尤其是其宽线性范围完全满足临床检测需求。 4. 机理研究深入： 不仅通过电化学测试验证了性能提升，还通过Zeta电位、XPS等多种表征手段深入探究了电荷调控、化学结合等作用机理，并通过计算k_s值定量评估了电子转移动力学的增强。 5. 实用化验证充分： 研究不仅停留在实验室标准溶液测试，还进行了系统的人工血清样本加标回收实验，并与商业设备对比，充分证明了传感器在实际应用中的可行性和可靠性。
七、 其他有价值内容 本研究的补充材料提供了MXene/GOD电极在不同扫速下的CV图及其k_s计算过程，以及商用血糖仪检测人工血清样本的结果图，这些内容为读者提供了更全面的数据参考和对比依据。此外，论文在讨论部分将所研制传感器的性能与近年来报道的多种GOD基传感器（如基于还原氧化石墨烯/Fe₃O₄、碳纳米管、石墨烯量子点等材料的传感器）进行了详细的表格对比，凸显了本工作在灵敏度、检测范围和电子转移速率等方面的综合优势，进一步确立了本研究的先进性和竞争力。