本研究由Arthi Ravitchandiran¹, Saad Algarni², Mohamad S. AlSalhi², Rajamohan Rajaram³, Tabarak Malik⁴ 和 Subramania Angaiah¹* 共同完成。 作者所属机构包括：1. 印度本地治里大学纳米科学技术中心电材料研究实验室；2. 沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学科学学院物理与天文系；3. 韩国庆山岭南大学化学工程学院；4. 埃塞俄比亚季马大学健康研究所生物医学科学系。 该研究成果于2024年发表在学术期刊 Scientific Reports 上。
本研究的科学领域属于电化学生物传感，具体聚焦于无酶葡萄糖传感器的开发。进行这项研究的主要原因在于：糖尿病已成为全球最严重的健康问题之一，影响着超过2.2亿人，且未来20年患者数量预计将翻一番。传统的血糖监测依赖于有创的血液检测，给患者带来痛苦和不便，并限制了连续监测的可能性。因此，开发一种非侵入式、可穿戴的血糖监测技术具有迫切需求。
在技术背景方面，电化学葡萄糖传感器主要分为酶传感器和无酶传感器。酶传感器依赖葡萄糖氧化酶，具有高灵敏度和特异性，但制造成本高、长期稳定性差。相比之下，基于纳米结构化合物的无酶传感器因其高表面积、优异的化学稳定性、高电催化活性、易于合成和低成本前驱体等优点而越来越具吸引力。在可穿戴传感的生物体液选择中，汗液因其易于获取、非侵入性以及包含丰富的生理信息（包括葡萄糖）而展现出巨大潜力。然而，汗液中的葡萄糖浓度（通常为0.06-0.22 mM）远低于血糖浓度（空腹3.9-5.5 mM，餐后可达7.8 mM），这对传感器的灵敏度和检测限提出了极高要求。
本研究旨在开发一种新型、高性能的无酶电化学传感器，用于直接检测人体汗液中的低浓度葡萄糖。其核心目标是通过合成一种ZnFe普鲁士蓝类似物[ZnFe(PBA)]与二维Ti₃C₂Tx MXene的纳米复合物（ZnFe(PBA)@Ti₃C₂Tx），并将其修饰到丝网印刷电极上，以构建兼具高灵敏度、高选择性、良好稳定性及快速响应的汗液葡萄糖传感器。
本研究的工作流程包括材料合成、表征、电极制备、电化学性能测试以及实际样品分析等多个环节，具体如下：
1. 材料的合成 * ZnFe普鲁士蓝类似物 (ZnFe(PBA))的合成：采用共沉淀法。具体步骤为：分别配制0.06 M的ZnCl₂溶液（溶于100 mL去离子水）和0.04 M的K₃[Fe(CN)₆]溶液（溶于100 mL 12 M HCl）。在环境条件下，将两种溶液逐滴混合以诱导共沉淀过程。将形成的沉淀混合物搅拌5小时，静置过夜使残渣沉降。随后对沉淀物进行离心，用去离子水反复洗涤数次，最后在60°C真空下干燥12小时。 * Ti₃C₂Tx MXene的合成：采用化学蚀刻法和探头超声剥离法。首先，将MAX相粉末(Ti₃AlC₂)与氢氟酸(HF)以1:20的比例混合，在通风橱中室温下搅拌48小时以蚀刻掉铝层。蚀刻后的Ti₃C₂Tx用水洗涤至中性pH，干燥后获得堆叠的MXene。随后，将堆叠的MXene以1:20的比例分散在溶剂中，并在冷浴中进行60分钟的探头超声处理以实现剥离（Delamination）。最后收集剥离后的Ti₃C₂Tx上清液，干燥后备用。 * ZnFe(PBA)@Ti₃C₂Tx纳米复合物的制备：采用原位超声复合方法。首先，将Ti₃C₂Tx在10倍磷酸盐缓冲盐水(PBS)中超声1小时以获得均匀分散液。同时，将ZnFe(PBA)与2%的(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)（溶于无水乙醇）处理，以在其表面保留氨基官能团，然后用乙醇和PBS洗涤去除多余的APTES。最后，将处理好的Ti₃C₂Tx与ZnFe(PBA)以1:10的比例混合，通过超声处理2小时实现均匀分散，再经离心、洗涤和真空干燥后得到最终的纳米复合物。
2. 材料的物理与化学表征 * X射线衍射(XRD)：使用X射线衍射仪对ZnFe(PBA)、Ti₃C₂Tx及其纳米复合物进行物相和晶体结构分析。扫描范围2θ为10°-80°。 * 场发射扫描电子显微镜(FESEM)：用于观察材料的形貌特征（如立方体结构、纳米片状结构及复合形态）。 * 能量色散X射线光谱(EDAX)：用于确认合成纳米复合物中所含的元素种类及其分布。 * 拉曼光谱(Raman)：用于分析材料的分子振动模式、化学键合状态以及结构缺陷。 * X射线光电子能谱(XPS)：用于分析材料的表面元素组成、化学态和价态。
3. 电极的制备与传感器构建 * 将制备好的ZnFe(PBA)@Ti₃C₂Tx纳米复合物（2 mg）与Nafion溶液（2%乙醇溶液）混合，经超声处理形成均匀浆料。 * 将浆料滴涂并干燥在预先抛光清洁的玻碳电极(GCE)表面，制成工作电极。 * 为进行实际汗液样品分析，采用了相同的制备方法将纳米复合物修饰到商业丝网印刷电极(SPE)上，构建便携式传感平台。
4. 电化学性能研究 * 采用三电极系统（修饰电极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂棒作为对电极）在0.1 M KOH电解质中进行测试。 * 循环伏安法(CV)：用于研究传感器的电催化氧化还原行为、扫描速率的影响以及不同葡萄糖浓度下的响应。 * 计时电流法(CA)：用于评估传感器对不同浓度葡萄糖（从低到高连续添加）的电流响应、灵敏度、检测限、线性范围和响应时间。 * 选择性、重现性与稳定性测试：在人工汗液中测试传感器对葡萄糖、抗坏血酸、尿酸、多巴胺、NaCl和乳酸等潜在干扰物的响应，并评估其长期稳定性。
5. 实际样品分析 * 收集三名志愿者的手部汗液作为实际样品。 * 使用基于ZnFe(PBA)@Ti₃C₂Tx修饰的丝网印刷电极，结合便携式恒电位仪，对汗液样品中的葡萄糖浓度进行检测。 * 将检测结果与商用血糖仪测得的对应血糖浓度进行对比，验证传感器的实际应用可行性和准确性。
研究中的新颖方法：本研究的核心创新在于首次将ZnFe(PBA)金属有机框架(MOF)与二维Ti₃C₂Tx MXene通过原位超声法复合，构建了一种新型纳米杂化材料用于无酶葡萄糖传感。这种方法结合了MOF的高催化活性与MXene的高导电性，并利用超声处理实现了两者的均匀复合，避免了ZnFe(PBA)的快速结晶和自聚集问题。
1. 材料表征结果 * XRD分析：证实了ZnFe(PBA)的立方相结构（JCPDS卡号98-001-3332）和Ti₃C₂Tx的特征峰（如（006）和（008）晶面）。纳米复合物的XRD谱图同时包含了两种组分的特征峰，表明成功复合。通过Scherrer公式计算，纳米复合物的平均晶粒尺寸约为26±3 nm。 * 拉曼光谱：显示了ZnFe(PBA)的特征峰（Fe-C伸缩振动517和602 cm⁻¹，C≡N伸缩振动2119、2161和2191 cm⁻¹）和Ti₃C₂Tx的特征峰（如205 cm⁻¹处的A₁g峰，580/622和725 cm⁻¹处的Eg和A₁g峰）。纳米复合物的谱图融合了二者的特征，并观察到了微小的蓝移，这归因于超声剥离和复合过程中的相互作用。 * XPS分析：清晰地显示了Ti 2p (Ti 2p3/2: 459.4 eV, Ti 2p1/2: 464.4 eV)、Zn 2p (Zn 2p3/2: 1021.5 eV, Zn 2p1/2: 1044.7 eV)、Fe 2p (Fe 2p3/2: 708.9 eV, Fe 2p1/2: 721.0 eV)、C 1s (C=C, C=N, C≡N)、N 1s (C≡N)和O 1s (C-O-C, C=O)的特征峰，充分证实了复合物的化学组成和表面官能团。 * FESEM和EDAX分析：FESEM图像直观展示了ZnFe(PBA)的立方体结构、Ti₃C₂Tx的纳米片状结构，以及纳米复合物中立方体嵌入纳米片的形貌。EDAX及其元素映射图证实了Zn、Fe、Ti、C、N、O、F等元素的存在，并且分布均匀。
2. 电化学性能结果 * 电催化活性：CV测试表明，在葡萄糖存在下，ZnFe(PBA)@Ti₃C₂Tx修饰的电极在约0.4 V处出现明显的葡萄糖氧化峰，在约0.3 V处出现还原峰，而单独的Ti₃C₂Tx电极则没有明显的电催化行为。这表明电催化活性主要源自ZnFe(PBA)，而Ti₃C₂Tx提供了优异的导电基底，促进了电子转移。 * 反应动力学：氧化还原峰电流与扫描速率平方根呈良好线性关系（R²分别为0.9974和0.9983），表明葡萄糖的电催化氧化过程受扩散控制。 * 传感性能（核心指标）： * 灵敏度：高达973.42 µA mM⁻¹ cm⁻²。 * 检测限(LOD)：低至3.036 µM（信噪比S/N=3）。 * 线性检测范围(LDR)：从0.01 mM 到 1 mM，完全覆盖了人体汗液葡萄糖的生理浓度范围（0.06-0.22 mM）。 * 响应时间：约2秒，表明快速的反应动力学。 * 选择性、重现性与稳定性：传感器在含有多种干扰物的人工汗液中，仅对葡萄糖产生显著的电流响应，表现出优异的选择性。连续测试12天后，传感器仍能保持初始电流响应的97%，显示出良好的长期稳定性。
3. 实际样品分析结果 * 对三名志愿者的汗液样本进行检测，传感器的回收率在97.83%到102.38%之间，相对标准偏差(RSD)仅为1.91%。 * 传感器测得的汗液葡萄糖浓度与商用血糖仪测得的对应血糖浓度呈现良好的相关性，证明了其在真实场景下进行无创血糖监测的潜力。
结果间的逻辑关系与对结论的贡献：材料表征结果（XRD、拉曼、FESEM、XPS）共同证实了成功合成了具有特定立方体-纳米片复合结构的ZnFe(PBA)@Ti₃C₂Tx纳米杂化物。这种独特的结构为后续优异的电化学性能奠定了基础。电化学性能测试结果直接验证了该纳米复合物作为无酶葡萄糖传感器的高性能，其超高的灵敏度、低检测限和宽线性范围归因于ZnFe(PBA)提供的大量催化活性位点和Ti₃C₂Tx提供的快速电子传输通道之间的协同效应。最后，实际样品分析的成功，将实验室性能与临床应用联系起来，证明了该传感器设计的有效性和实用价值。所有这些结果层层递进，共同支持了研究最终的成功结论。
本研究的结论是：成功开发了一种基于ZnFe(PBA)@Ti₃C₂Tx纳米复合物修饰丝网印刷电极的新型无酶电化学葡萄糖传感器。该传感器结合了普鲁士蓝类似物衍生MOF的高电催化活性与二维剥离Ti₃C₂Tx MXene的超高导电性，在检测人体汗液葡萄糖方面表现出卓越的性能，包括高灵敏度（973.42 µA mM⁻¹ cm⁻²）、低检测限（3.036 µM）、宽线性范围（0.01-1 mM）、快速响应（~2秒）、高选择性以及良好的稳定性和重现性。
科学价值： 1. 材料创新：首次探索并验证了ZnFe(PBA)与Ti₃C₂Tx MXene的纳米杂化材料在无酶生物传感领域的应用，为构建高性能电化学传感器提供了新的材料设计思路。 2. 机理阐明：通过系统表征和电化学分析，揭示了该复合物中MOF提供催化活性位点与MXene提供导电网络之间的协同增强机制。 3. 方法学贡献：提供了一种结合共沉淀、化学蚀刻和原位超声的可靠合成路线，可用于制备其他MOF-MXene复合功能材料。
应用价值： 1. 糖尿病管理：为实现非侵入式、连续、实时的血糖监测提供了一种有前景的技术方案。通过检测汗液葡萄糖，有望替代或补充传统的有创指尖采血检测，极大提升患者的生活质量和疾病管理效率。 2. 可穿戴健康设备：该传感器基于丝网印刷电极，易于小型化和集成，非常适合开发为贴片式或腕带式可穿戴健康监测设备。 3. 推动个性化医疗：为未来基于汗液等多参数生理信息监测的个性化健康管理系统奠定了基础。
本研究在讨论部分通过对比表格，将所开发的ZnFe(PBA)@Ti₃C₂Tx传感器的性能（灵敏度、检测限、线性范围）与近年来报道的其他基于MXene或纳米材料的无酶葡萄糖传感器（如Pt@MXene、NPC@MXene、Cu₂O/MXene/rGO等）进行了详细比较。数据显示，本研究开发的传感器在灵敏度方面显著优于大多数已报道的体系，这有力地凸显了本工作所采用材料体系的优越性和创新性。这种对比分析为读者提供了清晰的性能定位，增强了研究的说服力。此外，研究还对可能的葡萄糖氧化反应机理进行了探讨，提出了在碱性介质中涉及ZnFe(PBA)氧化还原对催化的反应路径，为理解传感器的电催化过程提供了理论视角。