面向多模态健康监测的新型集成式生物传感器
本研究由北京师范大学化学学院的Xinyun Lin， Dekui Song*， Ting Xue， Wenya Hu， Nan Liu*，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室认知与神经工效学中心的Dekui Song，北京石墨烯研究院的Wenchao Jiang， Nan Liu，以及东北师范大学化学学院的Tianci Shao， Xiaoqin Zou*共同完成。研究成果以题为“A multifunctional biosensor via MXene assisted by conductive metal–organic framework for healthcare monitoring”的论文形式，发表于学术期刊*Advanced Functional Materials*，并于2023年在线发表。
一、 研究的学术背景
本研究属于柔性电子、生物传感与可穿戴医疗设备交叉领域。随着人们生活节奏加快、体育活动时间减少及饮食结构变化，以高血糖、高血脂、高血压为代表的代谢性疾病日益普遍。近年来，高尿酸血症作为一种与上述疾病密切相关的代谢异常，也受到了广泛关注。高尿酸血症不仅可能导致痛风，还会引起关节疼痛、周围肌肉活动受限，甚至肌肉无力和功能下降。同样，高血糖也可能导致下肢运动障碍等并发症。适当的运动有助于肌肉恢复，同时也能帮助降低尿酸水平。
因此，实时监测人体代谢物（如尿酸、葡萄糖）含量并同步诊断肌肉功能状态，对于代谢性疾病患者的居家管理与康复至关重要。传统方法通常需要独立的设备分别进行生化检测（如抽血）和生理信号采集（如肌电图），过程繁琐且难以实现同步、连续、无创的监测。尽管已有诸多关于单功能生物传感器的研究，但能够同时集成化学信号（代谢物）检测、电生理信号（如肌电）采集以及电刺激治疗功能的一体化多功能生物传感器却鲜有报道。为此，本研究旨在开发一种新型的多功能集成生物传感器，利用高性能纳米材料，实现对汗液中代谢物的电化学检测、对肌肉电生理信号的高质量采集，并能进行肌肉电刺激治疗，为代谢性疾病患者的日常健康监测与康复治疗提供一体化解决方案。
二、 研究的详细工作流程
本研究工作流程系统且完整，主要包括关键材料的合成与表征、电极的制备与电化学性能评估、电生理信号采集与电刺激治疗性能验证、电化学传感性能测试，以及最终集成系统的构建与演示验证。
1. 材料合成与表征 本研究选择了两种核心功能材料：MXene（Ti₃C₂Tx）和导电金属有机框架（C-MOF， Ni₃(HITP)₂）。首先，通过盐酸/氟化锂（HCl/LiF）混合溶液化学刻蚀Ti₃AlC₂ MAX相前驱体，成功制备了单层或少层的Ti₃C₂Tx MXene。透射电子显微镜（TEM）图像清晰显示了剥离后的MXene具有孤立的片层结构。X射线衍射（XRD）图谱显示，刻蚀后铝的特征峰消失，且（002）峰从9.6°移至6.4°，表明层间距增大，证实了MXene的成功制备。 其次，采用水热法合成了C-MOF Ni₃(HITP)₂。通过XRD分析，其衍射峰位置与标准图谱匹配良好，证实了晶体结构的成功合成。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，3355 cm⁻¹处的单峰表明配体HITP中的伯胺基团转化为了仲胺基团，540 cm⁻¹处的峰对应Ni-N键，进一步验证了配位结构的形成。扫描电子显微镜（SEM）显示，Ni₃(HITP)₂纳米片通过π-π堆积形成刀片状结构。氮气物理吸附测试表明其Brunauer–Emmett–Teller (BET)比表面积为146.3 m² g⁻¹，平均孔径为1.4 nm，热重分析（TGA）则证明了材料良好的热稳定性。
2. MOF/MXene电极的制备与电化学性能评估 研究者以非织造布作为柔性基底，通过真空浸渍法将MXene溶液负载到其上，形成三维导电网络，随后通过滴铸法将C-MOF原位锚定在MXene表面，最终制得MOF/MXene电极。SEM和能量色散谱（EDS）元素分析证实，MXene和C-MOF均匀地附着在非织造布纤维表面。 为了探究MOF/MXene作为电生理电极的潜力，研究者在磷酸盐缓冲溶液（PBS，模拟生理环境）中对其进行了系统的电化学测试。电化学阻抗谱（EIS）表明，与纯MXene电极和商用Ag/AgCl电极相比，MOF/MXene电极在10 Hz和100 Hz频率下具有更低的阻抗。这归因于C-MOF的多孔结构极大地增加了电极的电化学活性面积。循环伏安法（CV）测试进一步证实，MOF/MXene电极的电荷存储容量（CSC）达到24.7 mC cm⁻²，几乎是纯MXene电极（13.1 mC cm⁻²）的两倍。高CSC意味着电极能在固定电压窗口内实现更快的电子转移速率，这对于高信噪比（SNR）的电生理信号记录和低能耗的电刺激治疗至关重要。此外，电极在PBS中循环100次后，性能仍能保持初始值的96%，展现了良好的稳定性。
3. 肌肉诊疗性能验证 基于优异的溶液电化学性能，研究进一步评估了MOF/MXene电极在实际应用中的表现。首先测试了电极/皮肤界面阻抗，结果显示MOF/MXene电极显著低于商用Ag/AgCl电极和纯MXene电极，这有利于降低信号衰减和噪声。 随后，研究者将MOF/MXene电极用于采集人体多种电生理信号。在肌电图（EMG）测试中，将一对电极置于志愿者前臂，记录抓握和释放动作时的信号。计算的平均信噪比（SNR）为31 dB，高于Ag/AgCl电极。此外，该电极也能清晰地采集心电图（ECG）和眼电图（EOG）信号，波形特征峰明显，证明了其广泛适用于多种生物电信号采集。 利用其高电荷存储容量，MOF/MXene电极还被证明可作为电刺激电极。在牛蛙坐骨神经上的实验表明，施加电刺激电压后，记录的神经信号模式与输入频率完全一致。在人体肌肉上的测试进一步显示，MOF/MXene电极在更低的输入电压（如0.1 V）下即可产生有效响应，且其电刺激能力优于Ag/AgCl电极。这种高效能允许使用更低的刺激能量，降低了对身体的潜在损伤风险。研究还展示了多通道电刺激的能力，可以扩大刺激范围，加速肌肉恢复。通过时频图分析，验证了电极在电刺激过程中连续调节特定频率的可行性。
4. 电化学传感性能测试 鉴于C-MOF固有的导电性和高电化学活性面积，研究者将其用于代谢物的电化学传感。以C-MOF修饰电极为工作电极构建的三电极系统，在[Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻溶液中显示出比裸玻碳电极（GCE）更高的氧化还原峰，证实了其增强的电化学活性。 针对尿酸（UA）检测，采用方波伏安法（SWV）。实验表明，不同浓度的尿酸产生不同的响应电流，且电流与浓度在测试范围内呈现良好的线性关系（R² = 0.9936）。选择性测试显示，在存在乳酸（LA）、抗坏血酸（AA）和葡萄糖（Glu）等潜在干扰物的情况下，传感器对尿酸的响应几乎不受影响，显示出高选择性。 针对葡萄糖（Glu）检测，研究者在C-MOF电极表面修饰了葡萄糖氧化酶（GOx），构建了GOx/C-MOF酶电极。其检测原理基于GOx催化葡萄糖氧化生成过氧化氢（H₂O₂），H₂O₂在电极表面发生氧化反应产生电流信号。电流-时间（i-t）曲线显示，随着葡萄糖的连续加入，电流呈阶梯式上升，且电流变化与葡萄糖浓度呈线性关系（R² = 0.9967）。选择性实验同样证明了该传感器对葡萄糖的良好特异性。 为了验证在真实汗液环境中的可行性，研究者在人工汗液中进行了测试。结果显示，对于尿酸和葡萄糖的检测，其在人工汗液中的响应趋势与在PBS中一致，并保持良好的线性相关性，证明了C-MOF电极在复杂生物流体中应用的潜力。
5. 集成系统构建与演示验证 最后，研究者将上述功能集成到一个可穿戴生物传感器系统中。该系统由四部分组成：封装层、电化学传感器、电生理传感器和基底。电化学传感部分用于检测汗液代谢物，电生理传感部分用于采集肌电等信号并执行电刺激治疗。系统集成了印刷电路板（PCB）和蓝牙模块，实现了数据的无线采集与传输。 在演示实验中，志愿者将电化学传感部分佩戴于前额，在运动过程中采集汗液并无线传输尿酸响应电流数据，通过标准曲线估算出该志愿者汗液中的尿酸浓度约为26.5 μM，此值落在文献报道的正常汗液尿酸浓度范围（10–40 μM）内。同时，将MOF/MXene电极佩戴于足部，采集肌肉状态异常的肌电信号，并施加电刺激治疗。通过分析治疗前后肌电信号的中位频率（MF）和平均功率频率（MPF），发现治疗后这两个参数均有所提升，表明电刺激治疗有效改善了肌肉功能状态。这证明了该集成系统能够同步监测代谢物水平和肌肉状态，并据此提供适当的运动和营养指导。
三、 研究的主要结果
本研究在各个阶段均取得了关键性结果，并环环相扣，最终支撑了集成系统的成功构建与应用。 在材料合成阶段，成功制备了高导电性MXene和高比表面积、多孔的C-MOF，并通过SEM、TEM、XRD、FTIR、BET等多种表征手段确认了其结构和形貌。这为后续高性能电极的构建奠定了材料基础。 在电极性能评估阶段，最核心的发现是MOF/MXene复合电极兼具低界面阻抗和高电荷存储容量。EIS和CV数据直接证明了这一点。低阻抗确保了生物电信号采集的高保真度，高CSC则为高效电刺激治疗提供了可能。这一结果是连接材料优势与后续生物功能应用的关键桥梁。 在生物功能验证阶段，结果分为两部分。在电生理方面，MOF/MXene电极采集的EMG信号信噪比（31 dB）高于商用电极，并能成功采集ECG和EOG信号，证明了其作为通用生物电极的优异性能。电刺激实验则证实了其能有效激活神经和肌肉组织，且所需电压更低、更安全。在电化学传感方面，C-MOF电极对尿酸和葡萄糖表现出高灵敏度、宽线性范围和良好的选择性，在人工汗液中也保持稳定性能，验证了其用于无创汗液检测的可行性。 在最终的系统演示中，研究成功地将无线数据采集、汗液代谢物（尿酸）实时检测、肌肉状态（EMG）评估以及电刺激治疗功能整合于一体。通过一个志愿者案例，展示了系统如何同时获取尿酸浓度信息和肌肉状态信息，并根据后者实施电刺激治疗，且通过MF和MPF参数量化了治疗效果。这标志着从独立的材料、器件研究迈向了一个具备完整诊疗闭环功能的原型系统。
四、 研究的结论与价值
本研究的核心结论是：成功开发了一种基于MXene和导电金属有机框架（C-MOF）的新型多功能集成生物传感器。该传感器能够同时、无线、原位地实现对汗液中尿酸和葡萄糖的无创电化学检测、对肌电等电生理信号的高质量采集，并能对功能异常的肌肉进行低能量电刺激治疗。MOF与MXene的协同作用赋予了电极低阻抗、高电荷存储容量和大电化学活性面积等优异特性，这是实现多功能集成的关键。 该研究的价值体现在多个层面： 科学价值：首次将高导电C-MOF与MXene结合，应用于多功能生物传感领域，为开发下一代高性能、多模态柔性生物电子器件提供了新的材料组合策略和设计思路。深入探究了复合材料结构（多孔C-MOF锚定于MXene导电网络）对界面电荷转移、电化学活性及生物相容性的影响机制。 应用价值：面向代谢性疾病（如高尿酸血症、高血糖）伴随肌肉功能障碍的临床与居家管理需求，提供了一种创新的“检测-诊断-治疗”一体化解决方案。其无线、可穿戴、无创的特性，极大地方便了患者的日常长期监测与康复训练，有望推动个性化医疗和远程健康管理的发展。
五、 研究的亮点
六、 其他有价值的内容
研究还展示了该MOF/MXene电极平台的良好生物相容性和稳定性，为其长期佩戴应用提供了支持。此外，文中提及的通过分析肌电信号的中位频率（MF） 和平均功率频率（MPF） 来量化肌肉疲劳或功能状态的方法，为客观评估电刺激治疗效果提供了定量指标。无线数据传输与移动终端显示的结合，也体现了现代可穿戴设备与物联网（IoT）技术融合的趋势。虽然研究主要针对代谢性疾病，但作者指出该传感器平台也可用于采集其他电生理信号（如ECG、EOG），并适用于疾病或疲劳导致的多种肌肉功能障碍的诊疗，暗示了其平台技术的普适性。