针对动态监测汗液葡萄糖并实现实时pH校准的完全集成式生物传感系统的学术研究报告
本研究由东南大学机械工程学院的Yuxian Chen， Haoyu Xiao， Qiaolin Fan， Weilong Tu， Shiqi Zhang， 以及通讯作者Xiao Li*与Tao Hu*共同完成。研究成果以题为“Fully Integrated Biosensing System for Dynamic Monitoring of Sweat Glucose and Real-Time pH Adjustment Based on 3D Graphene MXene Aerogel”的论文形式，于2024年10月4日在线发表于学术期刊 *ACS Applied Materials & Interfaces*（2024年，第16卷，第55155-55165页）。
一、 研究背景与目的
本研究属于生物医学工程、柔性电子与电化学生物传感交叉领域。其核心背景源于全球糖尿病管理的迫切需求。糖尿病作为一种以高血糖为特征的代谢性疾病，可导致严重的并发症。传统的指尖采血监测方法具有侵入性，可能引起疼痛和不适，且无法提供连续的血糖数据，对患者、尤其是儿童的心理和生活质量造成影响。因此，开发一种能够连续、无创监测血糖的技术对于改善糖尿病管理至关重要。
汗液作为一种易于获取的生物流体，其葡萄糖浓度与血糖水平存在显著相关性，这使其成为无创血糖监测的理想媒介。近年来，各种电化学可穿戴汗液葡萄糖传感器被开发出来。然而，该领域仍面临两大关键挑战：第一，汗液pH值在4.5至7之间动态变化，受身体活动与环境因素影响，而作为传感器核心的葡萄糖氧化酶（Glucose Oxidase， GOx）的催化活性高度依赖于pH环境，这严重影响了汗液葡萄糖检测的准确性。第二，传统的酶基电化学生物传感器存在电子传递距离长、酶层易脱落或泄漏、以及二维纳米材料易团聚等问题，限制了传感器的灵敏度、稳定性和使用寿命。
针对上述挑战，本研究旨在开发一种创新的、完全集成的双功能柔性电化学生物传感系统。该系统能够同时、实时、动态地监测人体汗液中的葡萄糖和pH值，并利用实时获取的pH数据对葡萄糖读数进行自适应校准，从而显著提升无创血糖监测的准确性与可靠性。为实现这一目标，研究团队创新性地将三维多孔Ti3C2Tx MXene与还原氧化石墨烯（reduced Graphene Oxide， rGO）复合气凝胶（MX-rGO aerogel）应用于传感电极基底，并构建了集成实时pH校准机制的双通道系统。
二、 研究流程与方法详述
本研究的工作流程系统而复杂，主要包括电极材料的合成与表征、传感器构建与性能评估、以及最终的全集成可穿戴系统验证三个阶段。
第一阶段：三维MX-rGO复合气凝胶及其衍生物（MX-rGO-PANI）的制备与物理化学表征。 研究首先通过溶剂热自组装法制备了三维MX-rGO多孔气凝胶。具体步骤为：先分别制备二维MXene纳米片和氧化石墨烯（GO）纳米片的分散液，然后将两者混合，通过溶剂热过程诱导其自组装形成三维互联的多孔纳米结构。这种结构能有效防止二维纳米片的堆叠和聚集。在此基础上，为了构建pH传感模块，通过电聚合或化学方法将聚苯胺（Polyaniline， PANI）均匀地沉积在MX-rGO气凝胶的孔隙和表面，形成MX-rGO-PANI三维异质结构。
对合成材料进行了详尽的表征。利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了MX-rGO和MX-rGO-PANI的微观形貌，证实了其三维互联的多孔框架结构，其中较硬的Ti3C2Tx纳米片嵌入rGO片层之间，而PANI则以纳米纤维形式均匀分布。高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）及元素映射分析确认了材料中C、O、N、Ti元素的均匀分布。通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了材料的晶体结构和化学组成，证明了Ti3C2Tx、石墨烯和PANI的成功复合。X射线光电子能谱（XPS）进一步揭示了材料的表面化学状态和元素价态。氮气吸附-脱附测试（BET）显示，MX-rGO的比表面积高达224.36 m²/g，而MX-rGO-PANI的比表面积进一步提升至855.52 m²/g，这归因于PANI纳米纤维的引入极大地增加了有效表面积，为后续的电化学反应提供了丰富的活性位点。
第二阶段：葡萄糖传感器与pH传感器的构建及其电化学性能评估。 基于上述材料，研究团队构建了双功能传感器。葡萄糖传感电极以MX-rGO气凝胶为基底，通过壳聚糖（Chitosan）固定葡萄糖氧化酶（Gox）制得。pH传感电极则以MX-rGO-PANI复合材料为基础，利用PANI在不同pH值下发生可逆的氧化还原反应（掺杂/去掺杂）导致其开路电位（Open Circuit Potential， OCP）发生线性变化的特性来检测pH。
研究人员通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）对各类电极材料的电化学性能进行了表征。结果表明，MX-rGO复合材料展现出比纯rGO或Ti3C2tx更快的电子转移速率和更小的电荷转移电阻（Rct），证明了MXene与rGO的协同效应显著提升了界面电子传输效率。固定Gox或包覆PANI后，由于酶层或PANI的导电性相对较低，Rct有所增加，这与预期相符。
对葡萄糖传感器的性能评估包括：在不同pH背景液（pH 4-8）下测试其对葡萄糖浓度的动态响应，建立校准曲线，结果显示传感器在pH 6时灵敏度最高；通过计时电流法评估传感器对常见干扰物（如乙醇、抗坏血酸、尿酸等）的选择性，证实其具有良好的抗干扰能力；进行1000次弯曲循环测试，评估其机械稳定性，结果显示响应电流的相对标准偏差（RSD）仅为1.96%，表明其优异的柔韧性；进行长达16天的长期稳定性测试，传感器对100 μM葡萄糖的响应保持了初始电流的96%以上。该葡萄糖传感器在20-200 μM范围内显示出高线性度（R²=0.99），灵敏度为15.5 μA mM⁻¹ cm⁻²，检测限为33.69 μM。
对pH传感器的性能评估包括：在pH 4-8的标准缓冲液中测量其OCP随时间的变化，建立OCP与pH值的校准曲线，显示其灵敏度高达-62.96 mV/pH，超过能斯特理论值，线性回归系数为0.998；进行五次pH滴定循环测试，验证其可重复性，平均灵敏度为-62.74 mV/pH；测试其对其他离子（如NH₄⁺， Mg²⁺， Ca²⁺， K⁺， Na⁺）的选择性；进行1000次弯曲测试和长达21天的长期稳定性测试，证明其具有良好的机械耐久性和时间稳定性。
第三阶段：全集成双功能可穿戴传感器的验证与人体试验。 研究团队将葡萄糖传感模块和pH传感模块集成到一个柔性印刷电路板（FPCB）上，并配备了微控制器单元（MCU）、电化学检测模块、数模/模数转换芯片、电源管理模块和蓝牙低功耗（BLE）模块，构成一个完全集成的可穿戴系统。首先，在人工汗液中验证了pH校准的重要性。对比了在不同pH人工汗液中，葡萄糖传感器在未经pH校准和经过实时pH校准后的测量结果与真实添加的葡萄糖浓度，结果表明经过pH校准后，检测准确性显著提升。
随后，研究进行了人体在体试验。志愿者在室内进行恒定负荷的骑行运动，将集成的传感器佩戴于前额，通过微流控装置持续收集汗液。传感器同时实时监测汗液中的葡萄糖浓度和pH值，并将测得的pH值用于实时校准葡萄糖读数。实验结果显示，运动期间汗液葡萄糖水平呈现先快速下降、后逐渐减缓并最终稳定的趋势，且经过校准的葡萄糖测量结果与商用侵入式血糖仪（三诺GA-3型）的测量结果具有良好的一致性。同时，传感器也成功监测到了运动过程中汗液pH值的动态波动。
三、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究取得了一系列层次递进、相互支撑的重要结果。
在材料表征层面，FE-SEM、TEM、BET等结果共同证实了所制备的三维MX-rGO及MX-rGO-PANI气凝胶具有高度互联的多孔结构和高比表面积。这一独特的结构是后续优异电化学性能的物理基础：多孔结构促进了分析物的扩散，高比表面积提供了大量的催化活性位点，而MXene与rGO的复合协同提升了整体导电性。
在电化学表征层面，CV和EIS结果明确显示，MX-rGO复合材料具有更优的电子传输特性。这为构建高性能传感器奠定了电极基底。当将Gox固定于此基底上时，尽管酶层会轻微增加界面阻抗，但MX-rGO的高导电性和三维结构有效缩短了酶活性中心（FAD/FADH₂）与电极表面之间的电子传递距离，这是提升酶基生物传感器灵敏度的关键机制。
在器件性能层面，葡萄糖传感器展现了宽线性范围、高灵敏度、低检测限、优异的选择性、柔韧性和长期稳定性。特别关键的结果是，传感器在不同pH下的响应曲线（图4b， c）直接证明了汗液pH变化会对葡萄糖检测产生系统性影响，这从实验上论证了引入实时pH校准的必要性。同时，pH传感器表现出超高的灵敏度（-62.96 mV/pH）、良好的线性、可重复性和选择性，这为其作为可靠的pH监测模块提供了坚实保障。
在系统集成与验证层面，最核心的结果体现在图5a和5e， f。图5a通过人工汗液实验，定量展示了经过pH校准后，葡萄糖检测准确性在不同pH条件下均得到显著改善，这从原理上验证了校准策略的有效性。而人体在体试验结果（图5e， f）则将实验室性能成功转化到实际应用场景中：传感器成功实现了对运动中人体汗液葡萄糖和pH的连续、同步、动态监测，并且校准后的葡萄糖数据趋势与商用血糖仪结果相符。这一结果链条完整地证明了从材料创新、到器件优化、再到系统集成和算法校准的整个技术路线的可行性与有效性。
四、 研究结论与价值
本研究成功开发并验证了一种基于三维MXene-rGO气凝胶的、完全集成的双功能可穿戴生物传感系统，用于动态监测汗液葡萄糖并实现实时pH校准。该系统创新性地解决了无创汗液葡萄糖检测中因pH波动导致的准确性问题，并通过三维多孔气凝胶电极材料的设计，克服了传统酶传感器电子传递效率低、酶层不稳定的技术瓶颈。
其科学价值在于：第一，提出并实践了一种“传感-校准”一体化的设计理念，通过集成pH传感模块为酶基生物传感器提供了内置的、自适应的环境校正能力，提升了在复杂生物流体（如汗液）中检测的可靠性。第二，深入探索并验证了三维MX-rGO复合气凝胶在电化学生物传感中的应用潜力，阐明了其通过缩短电子传递距离和防止酶泄漏来提升传感器性能的机理。第三，为柔性、可穿戴、多参数生理监测平台的设计提供了新的材料体系（MXene-rGO-PANI）和系统架构范例。
其应用价值显著：该传感器为非侵入性、连续血糖监测提供了一种极具前景的解决方案，有望减轻糖尿病患者频繁采血带来的痛苦和不便，并实现更动态、更个性化的健康管理。同时，该系统也能应用于运动生理学监测、个性化健康管理以及其他需要同时监测多种汗液生物标志物的场景。
五、 研究亮点
六、 其他有价值的内容
研究中还提到，除了用于葡萄糖校准外，汗液pH的异常波动本身也可能是某些疾病（如由代谢紊乱引起的酸碱平衡失调）的早期征兆。因此，该双功能传感器平台不仅可用于糖尿病管理，其监测的pH数据也具有独立的健康指示价值，为代谢健康监测提供了新的维度。此外，支持信息（Supporting Information）中包含了更详细的实验步骤、材料制备参数、传感器单元的性能对比研究、通过微流控模块收集汗液的过程以及传感器模块集成和相关小程序界面的演示，这些内容为其他研究者复现和进一步发展此项工作提供了重要的技术细节和参考。