本文发表于期刊 biochip journal 第18卷第521-534页，于2024年6月25日在线发表。文章由Gachon大学电子工程系的Phan Gia Le与Sungbo Cho（通讯作者）共同撰写，是一篇关于MXene基无酶电化学葡萄糖传感最新进展的综述性论文。本文的主题聚焦于利用新兴二维材料MXene设计和构建无酶电化学葡萄糖传感器，以应对全球范围内日益严峻的糖尿病监测挑战。

论文的主要论点与论述

论点一：发展高性能、低成本的葡萄糖传感器是糖尿病精准管理的迫切需求，而无酶电化学传感器是极具潜力的研究方向。 论文开篇即强调了糖尿病作为一种全球性流行疾病的严重性及其对社会医疗体系造成的沉重负担。因此，开发能够精确、快速、低成本监测葡萄糖浓度的方法至关重要。目前，葡萄糖检测技术多种多样，包括比色法、荧光法、电化学法、表面增强拉曼光谱和近红外光谱等。作者对比了这些技术的优缺点：比色法简单廉价但检测限较高；荧光法灵敏度更佳但需要间接观测；电化学法则以其高灵敏度、快速响应、易于微型化以及与便携式设备集成的潜力而成为主流选择，尽管其制备成本相对较高。 在电化学葡萄糖传感器领域，主要分为酶促型和非酶促型（无酶型）两大类。酶促传感器（如基于葡萄糖氧化酶的传感器）具有高特异性，但存在酶成本高昂、在极端环境（温度、pH）下易变性失活、寿命有限等固有缺陷。相比之下，无酶电化学传感器通过使用具有电催化活性的纳米材料直接氧化葡萄糖，有望克服酶促传感器的这些缺点，实现更长的使用寿命、更低的成本和更高的稳定性。然而，无酶传感器通常面临特异性相对较低、以及在生理条件下（中性pH）催化活性不理想等挑战。因此，探索和设计新型高性能纳米材料，以提升无酶传感器的灵敏度、选择性和适应性，成为该领域的研究热点。

论点二：MXene作为一种新兴的二维材料，因其优异的物理化学性质，在构建高性能无酶电化学葡萄糖传感器方面展现出巨大潜力。 文章详细介绍了MXene材料的基本特性。MXene是一类二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，通式为M_{n+1}X_nT_x，其中M代表过渡金属（如Ti、V、Nb等），X是碳或氮，T是表面官能团（如-O、-OH、-F等）。它通常通过从MAX相前驱体中选择性刻蚀掉“A”层元素（如Al）来制备。MXene拥有许多吸引人的特性：1) 高电导率，有利于电极上的电子传输；2) 大的比表面积，为电化学反应提供丰富的活性位点；3) 丰富的表面化学，其表面官能团便于进一步功能化和生物分子固定；4) 良好的亲水性，易于在水溶液中分散形成稳定的胶体；5) 可调的组成和结构，使其性质能够根据应用需求进行定制。 由于其独特的性质，MXene已被广泛应用于能源存储、催化、环境和生物医学等领域。在生物传感方面，MXene既可用于构建光学传感器（利用其光学性质），也可作为电化学传感器的换能器材料。将其用于修饰工作电极，已被证明能够提高传感器的灵敏度、稳定性和线性检测范围。特别是，MXene易于与其他材料（如金属纳米粒子、金属氧化物、导电聚合物、碳材料等）复合，产生协同效应，进一步提升传感器的整体性能。因此，将MXene引入无酶葡萄糖传感器的电极设计中，是一个逻辑合理且前景广阔的策略。

论点三：通过复合多种功能材料，MXene基电极能有效提升无酶葡萄糖传感器的关键性能指标，如灵敏度、检测限、线性范围和稳定性。 文章的核心部分通过综述近年来的代表性文献，系统地阐述了MXene在无酶电化学葡萄糖传感中的具体应用策略和性能表现。这些研究普遍采用将MXene与其他催化活性组分复合的路径，主要可以分为以下几类复合体系： 1. MXene与铜基氧化物（Cu₂O等）及碳材料的复合：这是最常见的策略之一。例如，Alanazi等人制备了Cu₂O/MXene/还原氧化石墨烯（rGO）三元纳米复合材料。MXene和rGO共同构建了三维导电网络，而Cu₂O提供了对葡萄糖电氧化的高催化活性。该传感器在0.1至40 mM的宽浓度范围内表现出良好的线性响应，检测限低至1.1 µM。Gopal等人的研究也采用了类似思路，分别开发了MXene-嵌入多孔碳/Cu₂O、还原氧化石墨烯支撑的MXene片/Cu₂O以及Ti₃C₂Tₓ–Cu₂O等复合材料，均获得了从微摩尔到毫摩尔级别的宽线性检测范围和较低的检测限。这些工作表明，通过调整复合材料中各成分的比例和结构，可以优化电子转移和催化过程。 2. MXene与钴、镍基氧化物（Co₃O₄, NiCo₂O₄等）的复合：Manoj等人将Co₃O₄纳米立方体集成在MXene锚定的碳纤维电极上，制备了柔性电极。该传感器展现出超低的检测限（10 nM）和从0.05 µM到7.44 mM的宽线性范围，证明了Co₃O₄/MXene复合物优异的质量传输和催化性能。Gilnezhad等人则开发了基于Ti₃C₂/Ni/Sm层状双氢氧化物（LDH）的丝网印刷电极，用于汗液葡萄糖检测，实现了从0.001 mM到7.5 mM的双线性范围检测。 3. MXene与贵金属（如Au、Pt）及其氧化物的复合：Li等人制备了Pt/Ti₃C₂Tₓ纳米片复合物，并集成到柔性可穿戴传感器中，用于检测汗液葡萄糖。Cui等人开发了激光诱导石墨烯（LIG）基底上负载的Au@CuO/V₂CTₓ MXene复合材料，用于尿液葡萄糖检测，传感器在长达6周后仍能保持84.12%的性能。贵金属的引入可以进一步提高催化效率和电极稳定性。 4. MXene与稀土氧化物（如CeO₂）及水凝胶的复合：Jiang等人受海绵结构启发，制备了MXene@CeO₂/壳聚糖水凝胶传感器，用于汗液葡萄糖检测，获得了极高的灵敏度。 5. MXene与导电聚合物（如PEDOT:PSS）的复合：Pan等人开发了MXene功能化的PEDOT:PSS导电聚合物水凝胶，用于无创监测葡萄糖，展示了MXene在柔性、可穿戴传感平台中的应用潜力。 这些研究工作共同表明，MXene在复合材料中主要扮演着“优秀的导电基底和支撑骨架”角色。它不仅能提升复合材料的整体导电性，其表面官能团还能有效锚定和分散催化活性纳米粒子，防止其团聚，从而最大化暴露活性位点。MXene与其他材料之间的协同效应是提升传感器性能（如灵敏度、检测限）的关键。

论点四：尽管MXene基无酶葡萄糖传感器研究取得了显著进展，但仍面临一些挑战，未来的发展需着眼于解决这些问题并探索新的应用方向。 在结论与展望部分，作者总结了该领域当前的成就与未来的发展方向。文章指出，虽然无酶电化学葡萄糖传感器（被视为第四代）在成本、稳定性和环境耐受性方面优于酶促传感器，但目前市场上商业化的产品仍以酶促传感器为主。因此，MXene基无酶传感器要走向实际应用和商业化，还有很长的路要走，需要解决以下核心挑战： 1. 在生理条件下工作：目前大多数高性能的无酶传感器需要在强碱性环境中工作（如NaOH溶液），以保持高催化活性。然而，人体血清、血液或组织液的pH为中性。因此，开发能够在生理pH条件下高效、特异性地检测葡萄糖的传感器材料是未来的重要目标。 2. 提高特异性：生物体液成分复杂，含有抗坏血酸、尿酸、多巴胺等多种电活性干扰物质。未来的研究需要通过对MXene材料进行更精细的化学修饰和结构设计，或引入选择性屏障层，来显著提升传感器在复杂真实样品中的抗干扰能力和特异性。 3. 开发微创/无创植入式传感器：为了实现连续葡萄糖监测，需要将传感器微型化、生物相容化，以便植入皮下或用于无创检测（如汗液、唾液、泪液）。这要求MXene复合材料具备良好的生物相容性、柔韧性和长期体内稳定性。 4. 深化MXene本身的作用研究：目前MXene在传感器中多作为辅助材料。未来需要更深入地研究如何通过调控MXene的化学组成、表面终端、层数以及缺陷工程，来直接赋予其对葡萄糖的高选择性和高催化活性，使其从“支撑者”转变为“主动参与者”。 此外，论文还简要提及了绿色电化学传感器的发展趋势，即在传感器制备的全过程（从材料合成到电极加工）中减少对环境的影响，这也是一个值得关注的方向。

论文的价值与意义

本文作为一篇及时且全面的综述，具有重要的学术价值。首先，它系统性地梳理和整合了MXene材料在无酶电化学葡萄糖传感这一交叉领域的最新研究进展，为相关领域的研究人员提供了清晰的“知识图谱”，节省了文献调研时间。其次，文章不仅展示了各种高性能MXene复合传感器的设计策略和性能数据，还通过对比分析，揭示了材料复合、结构设计与其传感性能之间的内在联系，为读者提供了深入的设计思路和灵感。最后，文章明确指出当前研究存在的瓶颈和未来可能突破的方向，为该领域的后续研究提供了清晰的路线图和重要的参考。总体而言，这篇综述不仅吸引了生物传感领域的研究者，也对材料科学、纳米技术、柔性电子等跨学科领域的学者具有广泛的参考价值，有望推动MXene基葡萄糖传感器向更高性能、更实用化的方向发展。