基于Ti3C2/Ni/Sm-LDH的无酶丝网印刷电极用于实时汗液葡萄糖检测的研究报告
本研究的主要作者是Javad Gilnezhad、Ali Firoozbakhtian、Morteza Hosseini、Sadra Adel、Guobao Xu和Mohammad Reza Ganjali。他们分别来自伊朗德黑兰大学（University of Tehran）的卓越电化学中心和纳米生物传感器实验室、德黑兰医科大学（Tehran University of Medical Sciences）的医用生物材料研究中心、中国科学院长春应用化学研究所（Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences）电分析化学国家重点实验室以及中国科学技术大学（University of Science and Technology of China）。该研究成果已于2023年2月在线发表于国际学术期刊《Analytica Chimica Acta》（第1250卷）。
学术背景 本研究属于分析化学、生物传感器和材料科学的交叉领域，具体聚焦于非酶电化学葡萄糖传感器的开发。糖尿病（Diabetes Mellitus, DM）作为一种全球性健康威胁，其有效管理依赖于对体内葡萄糖水平的准确监测。传统血糖监测方法主要为侵入式，存在疼痛、感染风险及不便等问题，限制了其长期、频繁的使用。因此，发展无创（non-invasive）或微创的葡萄糖检测技术具有重要的临床意义。汗液作为一种易于获取的体液，含有包括葡萄糖在内的多种生物标志物，是进行无创监测的理想对象。电化学传感器因其灵敏度高、成本低和易于小型化等优点，成为葡萄糖检测的热门平台。其中，无酶电化学葡萄糖传感器（non-enzymatic electrochemical glucose sensors, NEGS）因其克服了酶传感器稳定性差、易受环境因素影响等缺点，受到了广泛关注。其工作原理主要依赖于电极材料对葡萄糖的直接电催化氧化，因此，高性能电极材料的开发是核心挑战。
过渡金属碳化物（MXene）作为一种新兴的二维材料，具有优异的导电性、丰富的表面官能团和良好的机械性能，为构建高性能电化学传感平台提供了新的可能。另一方面，镍（Ni）基材料因其对葡萄糖氧化展现出高催化活性而被广泛研究，而镧系元素（如钐，Sm）因其多变的氧化态和良好的电子转移能力，常被用来与其他金属协同以提高催化性能。本研究旨在将MXene与镍/钐纳米复合材料结合，开发一种新型、低成本、高灵敏度的无酶电化学传感器，并将其集成到丝网印刷电极上，用于汗液中葡萄糖的实时检测。
详细工作流程 本研究的工作流程主要分为几个关键步骤：材料合成、电极制备与表征、电化学性能测试以及实际样品分析。
首先，是材料的合成。研究团队采用了三步法制备目标复合材料MXene/Ni/Sm-LDH。第一步，通过球磨法合成MAX前驱体Ti3AlC2。将钛粉、铝粉和石墨粉按3:1:2的摩尔比混合，在450 rpm转速下球磨总计18小时40分钟。第二步，通过碱辅助水热法刻蚀MAX相制备羟基化的MXene（Ti3C2(OH)2）。将1克MAX相、7克氢氧化钾和1毫升水混合，在160°C下反应24小时，洗涤干燥后得到Ti3C2Tx。第三步，通过原位生长水热法合成MXene/Ni/Sm-层状双氢氧化物（Layered Double Hydroxide, LDH）纳米复合材料。将制备好的MXene分散于超纯水中，加入NiCl2·6H2O、SmCl3·6H2O和尿素，充分搅拌后，置于高压反应釜中在130°C下水热反应12小时。反应后产物经洗涤、真空干燥，最终得到目标复合材料。在此过程中，尿素水解提供碱性环境，促进Ni²⁺和Sm³⁺离子与MXene表面的-OH基团结合，原位生长形成Ni/Sm-LDH纳米片。
其次，是传感器的制备。研究人员采用丝网印刷技术制备了纸基电极。具体步骤是：将上述合成的MXene/Ni/Sm-LDH纳米复合材料与商业碳油墨以1:2的质量比混合，加入二甲基亚砜（DMSO）调节粘度以防止干燥。随后，使用丝网模板将混合物印刷在Whatman层析纸上，形成直径3毫米的工作电极。对电极和参比电极则分别由碳油墨和银纤维制成。这种制备方法简单、成本低，适合于一次性使用和批量生产。
接着，是对合成材料和修饰电极的系统表征。研究使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察了Ti3AlC2、Ti3C2Tx和MXene/Ni/Sm-LDH的形貌，证实了从致密层状MAX相到疏松层状MXene，再到MXene表面成功负载纳米颗粒的形貌演变。通过X射线衍射（XRD）分析了材料的晶体结构，结果显示刻蚀后代表MAX相中Al层的特征峰消失，出现了代表Ti3C2(OH)2的特征峰（~9.2°和~40.65°），而复合材料则显示出Ni/Sm-LDH的特征衍射峰（如23.8°, 29.2°）。能量色散X射线光谱（EDS）分析进一步证实了Al元素的成功去除，以及Ni和Sm元素的成功引入。
在电化学性能研究方面，研究人员进行了一系列实验。首先，使用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）在含有铁氰化钾/亚铁氰化钾的溶液中对不同修饰电极（纯碳油墨、碳/MXene、碳/MXene/Ni、碳/MXene/Ni/Sm）的基本电化学性质进行了评估。随后，在磷酸盐缓冲溶液（PBS）中，通过CV研究了电极在有无葡萄糖存在下的电化学行为，并考察了扫描速率和溶液pH值对响应的影响。最后，采用差分脉冲伏安法（DPV）来评估传感器的分析性能。DPV技术具有较高的灵敏度和分辨率，适合用于痕量物质的定量分析。实验通过向PBS缓冲液中连续加入不同浓度的葡萄糖，记录氧化峰电流的变化，从而建立校准曲线。此外，为了评估传感器的实用性，研究还测试了其选择性（通过向体系内加入可能共存的干扰物，如抗坏血酸、尿酸、乳酸、果糖、蔗糖和尿素）、重复性（使用10支独立制备的传感器检测同一浓度葡萄糖）和稳定性（在长达15天内定期检测传感器的响应信号）。
最后，是实际样品分析。为验证传感器在实际应用中的潜力，研究团队收集了人体汗液和唾液样本。样本经过简单稀释后，采用标准加入法，利用所构建的传感器进行葡萄糖浓度测定，并将结果与商业血糖仪（Zyklus TD-4267）的测量结果进行对比，以评估其准确度和回收率。
主要研究结果 材料表征结果清晰地证明了MXene/Ni/Sm-LDH复合材料的成功合成。FESEM图像显示MXene呈现出典型的层状结构，而复合材料图像中可见MXene表面负载了纳米颗粒。XRD和EDS数据提供了化学成分和结构变化的直接证据，确认了铝层的去除以及镍、钐元素的成功复合。
电化学表征结果揭示了复合材料的优异性能。在含有氧化还原探针[Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻的溶液中，修饰了MXene/Ni/Sm-LDH的电极显示出最大的电流响应和最小的电荷转移电阻，表明其导电性得到了显著提升。EIS谱图显示，从纯碳电极到碳/MXene/Ni/Sm电极， semicircle semicircle semicircle semicircle 逐渐减小，这与CV结果一致，证明MXene和Ni/Sm的引入有效提高了电极的电子传输速率。
在无葡萄糖的PBS中，碳/MXene/Ni和碳/MXene/Ni/Sm电极均显示出一对明显的氧化还原峰，这归因于Ni(II)/Ni(III)电对的氧化还原反应。其形成机制是电极表面的镍纳米颗粒吸附水分子，形成Ni(OH)₂，并在碱性条件下氧化为NiOOH。当加入葡萄糖后，碳/MXene/Ni/Sm电极的阳极峰电流显著增加，而阴极峰电流减小，表明葡萄糖在电极表面发生了催化氧化反应。峰电流与葡萄糖浓度呈正相关，且在0.1 M的PBS缓冲液、pH=7.5的条件下获得了最佳的响应信号。扫描速率研究表明，峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系，表明葡萄糖的氧化过程受扩散控制。
最关键的分析性能结果显示，基于MXene/Ni/Sm-LDH的传感器对葡萄糖的检测表现出卓越的性能。DPV测试表明，传感器在0.001-0.1 mM和0.25-7.5 mM两个浓度范围内呈现出良好的线性关系，相关系数（R²）分别为0.988和0.9934。其检测限（Limit of Detection, LOD）低至0.24 μM (S/N = 3)。在0.01 mM和1 mM葡萄糖溶液中的灵敏度分别高达1673.54 μA mM⁻¹ cm⁻²和1519.09 μA mM⁻¹ cm⁻²。与文献中报道的其他无酶葡萄糖传感器相比（如MXene/NiCo-LDH、NiCo–NiCoO2/碳空心纳米笼、AuNi/N掺杂碳纳米管等），该传感器在灵敏度、检测限和线性范围方面具有竞争力或更优。
在选择性测试中，传感器对葡萄糖的响应电流远高于对同等浓度的抗坏血酸、尿酸、乳酸、尿素、果糖和蔗糖等常见干扰物的响应，表明其具有良好的选择性。重复性实验显示，10支独立制备的传感器对10 mM葡萄糖的响应电流相对标准偏差（RSD）很小，证明了制备工艺的良好重现性。稳定性测试表明，传感器在15天后仍能保持初始响应电流的96.8%以上，显示出令人满意的长期稳定性。
在实际样品分析中，传感器对人体汗液和唾液中葡萄糖的检测结果与商业血糖仪的测量结果高度吻合。例如，对一个汗液样本进行加标回收实验，测得葡萄糖的回收率在87.62%至104.1%之间，RSD值均低于0.33%。这些数据充分证明了该传感器在实际复杂生物样品检测中的准确性和可靠性。
研究结论与价值 本研究成功设计并构建了一种基于MXene/Ni/Sm-LDH纳米复合材料的新型无酶电化学葡萄糖传感器。该传感器采用丝网印刷技术制备，具有成本低廉、制备简便的优点。所开发的复合材料充分利用了MXene的高导电性和大比表面积，以及Ni/Sm双金属的协同电催化效应，实现了对葡萄糖的高灵敏、高选择性检测。传感器具有极宽的线性范围、极低的检测限和出色的灵敏度，并且成功应用于人体汗液和唾液等真实样本的分析，结果准确可靠。这项工作的科学价值在于为高性能无酶葡萄糖传感器的设计提供了一种新的材料策略，即通过将二维MXene与具有多价态的镧系-过渡金属LDH相结合，显著提升了传感器的电催化性能。其应用价值在于为开发可用于糖尿病日常监测的便携式、可穿戴、无创或微创检测设备提供了有前景的传感元件原型，有助于推动个性化医疗和健康管理技术的发展。
研究亮点 1. 材料创新：首次将羟基化MXene (Ti3C2(OH)2)与镍/钐层状双氢氧化物（Ni/Sm-LDH）通过原位水热生长法结合，制备出三维多孔纳米复合材料。MXene提供了导电骨架和稳定载体，Ni/Sm-LDH提供了丰富的催化活性位点，两者协同作用极大提升了电催化性能。 2. 性能优异：所构建的传感器展现出卓越的分析性能，包括极低的检测限（0.24 μM）、极宽的动态线性范围（跨越四个数量级，0.001-7.5 mM）和高灵敏度，超过了大多数已报道的无酶葡萄糖传感器。 3. 实用性强：采用丝网印刷技术制备纸基电极，工艺简单、成本低、适合大规模生产。传感器成功应用于真实汗液样本的检测，并展现出良好的选择性、重复性和稳定性，证明了其在实际应用中的巨大潜力。 4. 机理阐述：研究通过CV、EIS等电化学手段深入探讨了传感器对葡萄糖的催化氧化机理，明确了Ni(II)/Ni(III)氧化还原电对在反应中的核心作用，以及Sm的引入可能通过电子效应（f轨道电子向Ni的3d轨道转移）增强了催化活性。
其他有价值内容 研究还通过对比实验（如碳/MXene、碳/MXene/Ni、碳/MXene/Sm等电极），系统论证了各组分（MXene、Ni、Sm）在提升传感器性能中的具体贡献：MXene主要提升导电性；Ni提供主要的葡萄糖催化活性位点；而Sm的引入虽然因其较大的离子半径略微降低了纯导电性，但与Ni形成的双金属协同效应最终显著增强了整体的电催化响应。这种系统性的组分-性能关系研究为后续的材料优化提供了明确指导。此外，论文将所开发传感器的性能与近年来多种基于不同材料的无酶葡萄糖传感器进行了详尽的对比（见文中Table 2），凸显了本工作的优势与创新之处。