基于表面功能化MXene的葡萄糖传感器的研究报道

一、 研究团队与发表信息

本项研究由来自中国电子科技大学基础与前沿科学研究所、电子薄膜与集成器件国家重点实验室、河南工业大学化学化工学院以及英国格拉斯哥大学（联合培养）的多位研究人员合作完成。主要作者包括黄一轩、龙子阳、邹继华、罗凌志（学生会员，IEEE）、周翔宇、刘鹤壮、何伟杰、沈凯和吴江（高级会员，IEEE）。该研究成果以论文形式发表于IEEE Transactions on Nanotechnology期刊第21卷，2022年。论文的在线发表日期为2022年7月18日，最终版本发表日期为2022年7月27日。

二、 学术背景与研究目的

本研究属于电化学生物传感领域，具体聚焦于用于葡萄糖检测的酶生物传感器的开发。糖尿病作为一种慢性且广泛流行的现代生活方式疾病，影响着全球大量人口。为了有效控制血糖水平，需要一种准确、便捷的血糖浓度监测手段。在众多葡萄糖检测技术中，电化学技术因其高选择性、高灵敏度以及易于实现设备微型化而展现出巨大竞争力。电化学生物传感器通常由识别元件、电化学换能器和信号处理单元组成。其中，葡萄糖氧化酶（GOx）因其高选择性、灵敏度和可逆性，成为最常用的葡萄糖生物传感器识别元件。

然而，传统的酶生物传感器面临一些挑战：传感器表面容易因中间产物或氯离子等而“中毒”，影响可靠性；同时，传感器的灵敏度强烈依赖于反应速率以及离子或电子的转移速率。因此，开发一种具有丰富活性位点、优异导电性并能与识别元件（如GOx）形成良好电荷转移通道的电化学换能器材料，对于构建高性能酶生物传感器至关重要。

近年来，以石墨烯、过渡金属二硫化物等为代表的二维（2D）材料因其优异的物理化学性质和高表面活性，在生物电化学器件中受到广泛关注。MXene作为一种新兴的二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物家族，具有优异的机械强度、高比表面积和亲水表面。其表面富含的官能团（如-OH, -F, -O等）可用于锚定生物分子（如酶）。此外，MXene的低离子扩散势垒、优异的导电性和出色的离子/电子交换能力，使其在生物医学和生物传感领域具有巨大应用潜力。

基于此背景，本研究旨在利用表面功能化的MXene材料作为酶固定基质，构建一种高性能的电化学葡萄糖传感器。具体研究目标包括：1）通过对MXene进行表面处理，有意引入缺陷并增加表面羟基（-OH）基团，以提供更多的生物受体（GOx）固定位点；2）利用功能化MXene优异的导电性和丰富的活性位点，为GOx酶与葡萄糖之间的氧化还原反应产生的电子提供高效的转移通道，从而提升传感器的灵敏度与响应速度；3）开发一套基于云平台的葡萄糖数据采集与共享系统，验证该传感器在实际应用中的可行性与准确性。

三、 详细研究流程与方法

本研究包含材料制备、传感器构建、性能表征以及系统集成等多个紧密衔接的步骤。

第一步：MXene材料的制备与表面功能化。 研究首先从商业购买的Ti3AlC2（MAX相）粉末出发，采用氢氟酸（HF）选择性蚀刻掉其中的Al层，成功制备了多层Ti3C2Tx MXene纳米片（Tx代表表面官能团，如-OH, -F）。随后，为了增强其与生物组分的相互作用，研究团队对MXene进行了创新的表面功能化处理。具体流程是：将MXene悬浮液滴涂在预先制备好金电极的PET柔性基底上，随后在同一位置加入等体积的氨水（NH3·H2O），并立即使用240纳米波长的紫外（UV）光进行照射。研究人员设置了两种照射时长：6小时和24小时，制备的样品分别命名为Ti3C2Tx-AUV(6)和Ti3C2Tx-AUV(24)。这一步骤旨在通过紫外光和氨水的协同作用，在MXene表面产生少量缺陷并增加表面羟基基团，为后续的生物分子固定提供更多结合位点。未经此处理的原始样品作为对照（Pristine Ti3C2Tx）。

第二步：葡萄糖传感器的组装与生物功能化。 在完成MXene薄膜沉积与表面改性后，研究采用标准的生物固定化流程构建传感器。首先，使用常见的化学连接剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）对MXene层进行修饰，以在其表面引入氨基基团，便于共价连接生物分子。然后将器件在120°C的烘箱中干燥固化，并用去离子水清洗。随后，将葡萄糖氧化酶（GOx）溶液滴加到器件表面，并在4°C下孵育48小时，使GOx通过共价键牢固地固定在功能化的MXene表面。使用前，制备好的传感器需要在37°C下活化半小时。整个器件制备流程如图1所示，体现了从基底清洗、电极沉积、材料修饰到生物固定的完整工艺链。

第三步：材料与传感器的表征与性能测试。 这一部分是研究的核心，涉及多种分析测试手段。首先，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对Ti3AlC2前驱体和剥离后的Ti3C2Tx纳米片的晶体结构、形貌和厚度进行了表征。XRD结果显示，蚀刻后（002）峰向小角度移动且强度降低，高次（001）峰和（104）峰消失，证实了Al层的成功去除和纯相MXene的形成。SEM图像显示了Ti3AlC2的层状“手风琴”形貌，而AFM则证实了剥离后的Ti3C2Tx纳米片尺寸可达1.2微米，厚度约为1.41纳米。通过X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证了表面羟基化的可行性以及生物活性物质与MXene表面的连接。拉曼光谱进一步证实，由于表面缺陷的存在，大量的APTES分子可以附着在Ti3C2Tx表面。

在电学性能方面，研究人员测量了不同MXene薄膜的电流-电压（I-V）曲线。结果显示，所有MXene薄膜与金电极之间均呈现欧姆接触。原始Ti3C2Tx薄膜的电阻约为45欧姆，Ti3C2Tx-AUV(6)薄膜的电阻约为90欧姆，表明羟基化处理虽然略微增加了电阻，但对电子转移性能影响不大。而经过24小时UV处理的薄膜电阻升至约100欧姆，这可能是由于MXene结构被过度破坏导致电子传导通道损失所致。

第四步：葡萄糖传感性能的系统评估。 研究人员采用循环伏安法（CV）和计时电流法（i-t）系统评估了Ti3C2Tx-AUV(6)传感器的性能。CV测试在含有不同浓度葡萄糖（1 mM, 5 mM, 10 mM）的PBS溶液中进行。结果显示，在-0.45 V附近观察到一对明显的氧化还原峰，这对应于GOx与葡萄糖之间的酶促反应。氧化峰（约-0.27 V）是GOx活性中心可逆电子转移过程的特征峰。随着葡萄糖浓度的增加，电流水平逐渐升高，表明氧化还原反应活性与葡萄糖浓度成正比。

在动态响应测试中，Ti3C2Tx-AUV(6)传感器对10 mM葡萄糖的响应时间仅为4.3秒即可达到峰值电流，而商用试纸条需要9.6秒。更重要的是，该传感器的电流可以恢复到初始值，显示出良好的可逆性和循环使用潜力。研究人员进一步测试了不同传感器（原始、AUV(6)、AUV(24)）在不同葡萄糖浓度（1-10 mM，模拟人体血糖范围）下的灵敏度。灵敏度计算公式为（传感电流 - 基底电流）/ 基底电流。结果表明，Ti3C2Tx-AUV(6)传感器在1、2、5、10 mM葡萄糖浓度下的灵敏度分别达到0.61 A/A、1.25 A/A、3.01 A/A和5.1 A/A，显著高于其他两种传感器。

此外，研究还评估了传感器的其他关键性能：1）重复使用性：经过3次葡萄糖-GOx氧化还原反应循环及重新固定GOx后，传感器对10 mM葡萄糖的灵敏度仍能稳定在5.1 A/A左右，显示出良好的稳定性。2）检测限与线性范围：传感器在0.1 mM至10.0 mM的浓度范围内表现出良好的线性响应，检测限（LOD）低至12.1 µM（信噪比S/N=3），灵敏度约为93.75 µA mM-1 cm-2，优于所对比的商用试纸条（LOD为80.4 µM，灵敏度56.4 µA mM-1 cm-2）。3）长期稳定性：传感器在环境条件下储存超过20天后，响应电流仍保持较高水平，无明显衰减。4）选择性：在存在尿酸（UA）、抗坏血酸（AA）和氯化钠（NaCl）等常见血液干扰物的情况下，传感器对葡萄糖的响应电流变化显著，而对干扰物的响应微乎其微，证明了其高选择性和可靠性。

第五步：云平台数据采集与共享系统的开发。 为了展示该传感器在实际葡萄糖监测中的可行性，研究团队开发了一套完整的数据采集与共享系统。该系统由基于微型电路板的数据采集单元和基于计算机/手机终端的数据共享单元构成。微型板集成了电流信号采集模块、运算放大器、16位模数转换器（ADC）、微控制器和Wi-Fi收发器（ESP8266模块）。系统工作流程如下：传感器产生的电流信号经过放大和模数转换后，由ESP8266通过MQTT协议上传至云服务器。在云端，研究人员建立了一个多项式回归模型，将传感器响应（峰值电流）与血糖浓度关联起来，具体函数为：葡萄糖浓度 = 6.395Vd³ - 153.29Vd² + 131.41Vd - 0.3213（Vd为数字化后的电压信号）。经过云平台的数据分析和算法处理，葡萄糖浓度结果可实时显示在个人电脑和手机终端上。

四、 主要研究结果及其逻辑关联

本研究取得了一系列系统且相互印证的结果：

1. 材料表征结果：XRD、SEM、AFM成功证实了Ti3C2Tx MXene纳米片的成功制备及其二维层状结构。XPS、FTIR和拉曼光谱则共同证明了表面功能化处理（氨水+UV）有效引入了羟基和缺陷，增强了APTES的连接，为GOx的高效、稳固固定奠定了物理化学基础。

2. 电学性能结果：I-V曲线表明功能化处理后的MXene仍保持良好的导电性和欧姆接触特性，尤其是Ti3C2Tx-AUV(6)，其电阻增加有限，确保了其作为高效电子转移通道的潜力。这为后续观察到的高灵敏度传感性能提供了先决条件。

3. 传感性能核心结果：

   • 高灵敏度与快速响应：Ti3C2Tx-AUV(6)传感器表现出最高的灵敏度（10 mM时达5.1 A/A）和最快的响应时间（4.3秒）。这一结果直接归因于优化的表面功能化处理：适度的缺陷和羟基既提供了大量GOx固定位点，又未严重损害MXene的本征导电性，从而在生物识别与电子转移之间达到了最佳平衡。
   • 宽线性范围与低检测限：传感器在0.1-10 mM范围内呈现优异线性，检测限低至12.1 µM。这得益于MXene的亲水性使其与葡萄糖溶液充分接触，以及其高比表面积提供了丰富的反应界面。
   • 良好的选择性、稳定性与可重复性：抗干扰实验、长期储存测试和循环使用测试结果，共同证明了该传感器在实际复杂环境中应用的可靠性和耐用性。这得益于GOx的特异性识别以及MXene-酶之间稳固的连接。

4. 系统集成与验证结果：基于云平台的测试系统成功实现了葡萄糖浓度的实时监测、远程传输和数据显示。与商用试纸条相比，该传感器系统的预测浓度误差控制在10%以内，其平均绝对相对误差（MARD）和预测标准误差（SEP）均远低于20%，验证了整个系统在实际应用中的准确性和可靠性。这一结果将实验室级别的传感器性能成功延伸至准实际应用场景，完成了从“器件”到“系统”的跨越。

这些结果层层递进：材料制备与表征是基础，电学性能是桥梁，传感性能是核心体现，而系统集成则是价值验证。每一步的结果都为下一步的开展提供了依据和支持，并最终共同支撑起研究的总体结论。

五、 研究结论与价值

本研究成功开发并验证了一种基于表面功能化MXene（Ti3C2Tx）的高性能电化学葡萄糖传感器。结论表明，通过氨水和紫外光处理在MXene表面引入羟基和缺陷，能有效提升其作为酶固定基质的性能。所制备的Ti3C2Tx-AUV(6)传感器凭借MXene优异的导电性、丰富的活性位点和良好的生物相容性，实现了对葡萄糖的高灵敏、快速、选择性检测，并具备良好的稳定性和重复使用性。此外，集成开发的云平台数据系统展示了其在实时、远程血糖监测中的应用潜力。

该研究的科学价值在于：1）提出并验证了一种有效的MXene表面功能化策略（氨水+UV），为调控二维材料与生物分子的界面相互作用提供了新思路；2）深入揭示了功能化MXene作为酶生物传感器换能器的构效关系，即表面化学、电学性质与传感性能之间的内在联系；3）展示了MXene材料在电化学生物传感，特别是柔性、可穿戴传感领域的巨大应用前景。

其应用价值则体现在：为开发下一代高性能、低成本、便携式乃至可穿戴的葡萄糖监测设备提供了一种有前途的材料平台和器件架构。所开发的集成系统原型为未来个性化医疗和远程健康管理提供了技术参考。

六、 研究亮点

1. 创新的材料表面工程方法：采用“氨水处理+紫外光照”的协同策略对MXene进行表面改性，该方法相对简单、可控，能有效增加表面羟基和缺陷而不严重破坏导电性，巧妙平衡了生物固定位点数量与电子传输效率之间的矛盾。
2. 卓越的综合传感性能：所研制的传感器在灵敏度（5.1 A/A @ 10 mM）、响应时间（4.3 s）、检测限（12.1 µM）、线性范围（0.1-10 mM）、选择性、稳定性等多个关键指标上均表现出色，综合性能优于文中对比的商用试纸条及其他一些文献报道的基于不同材料的传感器（参见论文Table I）。
3. “器件-系统”一体化演示：研究不仅停留在实验室传感器性能表征，还进一步开发了包含硬件采集、无线传输、云端算法和终端显示的完整葡萄糖测试系统，实现了从基础研究到应用演示的闭环，极大地增强了研究成果的说服力和实际应用指向性。
4. 深入系统的机理阐释与性能关联分析：研究通过一系列互补的表征手段（结构、化学、电学）和对照实验（不同处理时间），清晰地阐述了材料处理、界面特性、电学性能与最终传感性能之间的逻辑链条，使整个研究工作具有很好的深度和完整性。

七、 其他有价值的内容

论文在支持信息中提供了更详细的材料表征数据（如拉曼、FTIR谱图）、电学测试曲线（I-V曲线对比）、传感器重复性测试的具体数据图表以及低浓度检测和长期稳定性的补充图表。这些信息为读者全面理解和复现该工作提供了重要支撑。此外，论文在引言部分对糖尿病监测的临床需求、电化学生物传感器的发展现状与挑战、以及各类二维材料（包括MXene）在生物传感中的应用做了简明而全面的背景综述，对于不熟悉该领域的读者具有很好的引导作用。论文也明确指出了传感器的局限性，例如在多次循环使用和清洗过程中，部分MXene可能会溶解，导致电流略有下降，这为后续研究改进（如寻求更稳固的固定方法或封装策略）指明了方向。