关于Ti3C2Tx MXene/石墨烯/AuNPs三维多孔复合材料用于高灵敏度、快速响应葡萄糖生物传感的学术研究报告
一、 研究概述
本研究由Lei Feng、Wenjing Qin*、Yanli Wang、Changshun Gu、Xinxin Li、Junji Chen、Jianxing Chen、Hanying Qiao、Min Yang、Zhenhao Tian及Shougen Yin共同完成，研究团队隶属于中国天津理工大学材料科学与工程学院及显示材料与光电器件重点实验室。该项研究成果发表于国际学术期刊 Microchemical Journal，该文被收录于2023年出版的第184卷，文章编号108142，于2022年11月7日在线发布。
二、 研究背景与目的
本研究的科学领域属于生物传感技术，具体聚焦于电化学生物传感器的研发，特别是针对葡萄糖的检测。葡萄糖氧化酶作为一种典型的生物酶，在葡萄糖传感器中应用广泛。然而，基于酶的传感器长期面临酶易失活、不稳定的挑战，限制了其实际应用。酶的固定化技术是提升其活性与稳定性的关键。近年来，新型纳米材料的发展为酶的固定化提供了新的平台，对生物传感器的进步具有重要意义。
具体到本研究，其背景知识涉及几个层面：首先，石墨烯因其独特的二维晶格结构和优异的电学性质，在传感器领域展现出巨大潜力。但单独的石墨烯片层间存在强π-π相互作用和范德华力，容易自发堆叠，导致比表面积下降和层间电阻增加。将二维石墨烯片转化为三维结构可以避免无序堆积并引入丰富的内部孔隙。然而，通过化学气相沉积制备的三维石墨烯泡沫虽具有高比表面积，但其高度疏水性使其对酶的亲和力较弱，限制了酶的吸附能力。其次，MXene（尤其是Ti3C2Tx）作为一种新兴的二维过渡金属碳/氮化物，具有大比表面积、优异的导电性以及表面丰富的亲水性基团（如-OH， -O），这使其成为一种理想的亲水性酶固定基底。已有研究将Ti3C2Tx MXene与石墨烯结合形成三维多孔结构以提升生物传感性能，但其导电性相比金属材料仍有不足，影响了电子传递效率，制约了传感器性能的进一步提升。再者，金纳米颗粒因其良好的生物相容性、高导电性以及对葡萄糖特有的电催化性能，被认为是增强复合材料电子传输能力的理想候选。
基于以上背景，本研究的主要目标是：开发一种性能优异的葡萄糖氧化酶固定化载体，以构建高灵敏度、快速响应、低检测限的葡萄糖生物传感器。具体研究目的包括：1）通过简便的方法构建一种三维多孔Ti3C2Tx MXene/石墨烯/金纳米颗粒复合材料；2）利用该复合材料的亲水性三维开放结构促进酶的固定与保留；3）通过引入AuNPs增强复合材料体系的电子传输并降低氧化还原电位，从而优化传感器的检测性能；4）评估所制备传感器在人体汗液葡萄糖检测中的实际应用潜力。
三、 详细研究流程与方法
本研究包含从材料制备、表征到传感器构建、性能测试及实际应用评估的完整流程。研究流程可概括为以下几个关键步骤：
Ti3C2Tx MXene纳米片的合成：
- 研究对象与处理：以Ti3AlC2粉末（MAX相前驱体）为原料，采用选择性蚀刻法。具体流程为：将2克Ti3AlC2粉末加入到含有4克LiF的40毫升9M盐酸溶液中，在40°C下搅拌24小时，以蚀刻掉铝层。
- 实验方法：反应完全后，通过离心收集沉淀。随后用1M HCl和超纯水反复洗涤、离心直至上清液pH≈6，以去除多余的LiF和酸。最后，将沉淀分散于超纯水中，冰浴超声处理2小时，再离心收集上清液获得MXene分散液，并进行冷冻干燥，产品储存于氩气环境中。通过X射线衍射和扫描/透射电子显微镜验证蚀刻成功和单层结构的形成。
MGA三维多孔复合膜的制备及传感器构建：
- 材料制备：采用简单的混合-冷冻干燥及自还原工艺。首先，将Ti3C2Tx MXene分散液与高导电石墨烯粉末分散液按一定重量比（实验设定了1:1， 1:2， 1:3三种比例）混合。然后，向混合液中加入1毫升0.5 mM的氯金酸水溶液。在氩气保护下对混合分散液进行超声处理。
- 电极修饰：使用玻璃碳电极作为基底。将上述混合分散液滴涂在预处理清洁的GCE表面，在60°C下真空干燥，得到MGA-1， MGA-2， MGA-3修饰电极。
- 酶固定化与传感器组装：将壳聚糖溶液、葡萄糖氧化酶PBS溶液、牛血清白蛋白溶液和戊二醛溶液按2:4:1:1的体积比混合，形成交联固化液。将该混合液滴涂到上述MGA修饰电极上，在35°C真空环境中反应固定酶。最后，滴涂全氟磺酸溶液以增强膜的稳定性和选择性，从而完成MGA/Gox葡萄糖传感器的制备。作为对照，同步制备了仅含MXene或仅含石墨烯的传感器。
材料表征：
- 所用设备与技术：采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察材料的表面形貌和微观结构；利用X射线衍射仪分析材料的物相组成；通过电子衍射光谱分析样品中的元素分布；使用马尔文Zeta电位仪测量Ti3C2Tx MXene和石墨烯的Zeta电位，以探究其静电相互作用。
- 表征内容：重点观察了MXene的二维褶皱结构、石墨烯的形貌、以及MGA复合膜的三维多孔结构、孔隙大小分布及金纳米颗粒的负载均匀性。通过XRD确认了复合材料中MXene、石墨烯和AuNPs三相共存。通过SEM图像对比不同MXene与石墨烯比例下复合膜的孔隙结构，确定了最佳比例。
电化学测量与传感性能评估：
- 测量体系：所有电化学测量均在传统的三电极体系中进行，使用电化学工作站，电解液为pH=7.4的0.1M PBS缓冲液。
- 性能测试：
- 导电性评估：通过循环伏安法测试不同修饰电极在铁氰化钾/亚铁氰化钾探针分子溶液中的电化学响应，评估复合材料的电子传输能力。
- 传感性能测试：采用循环伏安法和计时电流法评估传感器的性能。在PBS缓冲液中逐步添加不同浓度的葡萄糖，记录电流响应变化，绘制校准曲线，计算灵敏度、线性范围和检测限。
- 动力学研究：在不同扫描速率下测试传感器的CV曲线，通过阳极/阴极峰电流与扫描速率平方根的线性关系，判断反应是扩散控制过程，并利用Laviron方程计算电子转移速率常数和电荷转移系数。
- 抗干扰性测试：在PBS缓冲液中依次加入葡萄糖以及汗液中常见的干扰物质（如抗坏血酸、多巴胺、尿酸、尿素、氯化钠、氯化钾），验证传感器的选择性。
- 重复性与重现性：测试同一传感器对同一浓度葡萄糖溶液的连续多次响应，以及不同批次制备的五个传感器对同一浓度葡萄糖溶液的响应，评估其稳定性和制备工艺的重现性。
- 实际样品检测：采集3名志愿者的汗液样本，在餐前、餐后即刻及餐后2小时三个时间点，使用所制备的传感器检测汗液葡萄糖水平，并与商用血糖仪测得的指尖血血糖值进行对比，评估传感器的实用性。
四、 主要研究结果
材料结构与性质表征结果：
- SEM和TEM图像证实成功制备了二维层状结构的Ti3C2Tx MXene和石墨烯。MXene的XRD谱图中，对应于Ti3AlC2的（104）晶面峰消失，且（002）峰向低角度移动并展宽，表明铝层被成功蚀刻，且层间距因水分子和锂离子嵌入而增大。
- MGA复合膜的SEM图像显示其形成了明显的三维多孔网络结构。当MXene与石墨烯重量比为1:2（MGA-2）时，孔径分布最均匀，平均孔径约为5微米。EDS元素映射图显示Ti、C、Au元素均匀分布，TEM图像进一步证实AuNPs均匀生长在MXene和石墨烯纳米片表面。
- 电导率测试表明，MGA复合膜的电导率随石墨烯含量增加先升高后降低。MGA-2的电导率最高，达到128.46 S cm⁻¹，分别是纯MXene和纯石墨烯膜的1.98倍和2.33倍。这归因于三维多孔结构提供了更开放的离子/电子通道，以及AuNPs的引入进一步增强了电子传导。
电催化行为分析结果：
- 循环伏安测试显示，在[Fe(CN)6]³⁻/⁴⁻探针溶液中，电极的峰电流大小顺序为：CC/MGA > CC/MG > CC/Mxene > CC/Graphene > Bare CC。这直接证明了MGA三维多孔复合膜具有最大的有效表面积和最优的电子传输能力。AuNPs的引入对提升峰电流有显著贡献。
- 对不同扫描速率下MGA-2电极的CV分析表明，氧化还原峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系，说明电极上的电子转移过程是受扩散控制的准可逆过程，这有利于作为生物传感平台。
传感器传感性能结果：
- 灵敏度与线性范围：基于MGA-2的葡萄糖传感器对葡萄糖的电流响应在2 μM至0.4 mM和0.4 mM至6 mM两个浓度范围内呈良好线性关系，灵敏度分别高达169.49 μA/(mm·cm²)和34.13 μA/(mm·cm²)。在低浓度区间（2 μM ~ 0.4 mM）表现出极高的灵敏度。
- 检测限与响应时间：根据信噪比3σ法计算，传感器的检测限低至2 μM。传感器对葡萄糖的响应速度极快，达到1-3秒。
- 选择性：在含有多种潜在干扰物（抗坏血酸、多巴胺、尿酸等，浓度设定为葡萄糖浓度的1/30）的模拟汗液环境中，传感器对葡萄糖的响应信号未受到明显干扰，表现出优异的选择性。
- 稳定性与重现性：同一传感器连续10次测量0.25 mM葡萄糖溶液，响应电流几乎无衰减。使用相同方法制备的五个传感器，对同一浓度葡萄糖溶液的电流响应相对标准偏差仅为2.11%，表明该制备方法具有良好的重现性。
- 实际应用验证：对3名志愿者汗液葡萄糖的检测结果显示，传感器测得的汗液葡萄糖水平变化趋势（餐后升高，餐后2小时下降）与商用血糖仪测得的血液葡萄糖水平变化趋势高度一致，证明了该传感器用于无创汗液葡萄糖检测的准确性和可靠性。
电催化动力学研究结果：
- 对MGA-2/Gox葡萄糖传感器在葡萄糖溶液中的CV行为进行动力学分析。阳极和阴极峰电位与扫描速率的对数呈线性关系。根据Laviron方程计算，得到电荷转移系数α为0.56，在扫描速率为100 mV/s时，电子转移速率常数ks为2.79 s⁻¹。这表明基于MGA-2复合膜的葡萄糖传感器具有快速的电子转移能力，与传感器展现出的高灵敏度和快速响应特性相符。
五、 研究结论与价值
本研究成功构建了一种新型的三维多孔Ti3C2Tx MXene/石墨烯/金纳米颗粒复合材料，并将其作为葡萄糖氧化酶的高效固定化载体，开发出了一种高性能葡萄糖生物传感器。
科学价值：研究通过巧妙的材料设计，将三种纳米材料（MXene， 石墨烯， AuNPs）的优势相结合，实现了“1+1+1>3”的协同效应。MXene提供了丰富的亲水基团，创造了有利于酶固定的微环境；石墨烯与MXene通过静电相互作用构建了稳定的三维多孔骨架，防止了纳米片的堆叠，极大增加了比表面积和反应位点；AuNPs的引入则显著增强了整个复合体系的电子传导能力，并因其自身对葡萄糖的催化作用，与GOx产生了协同催化效果。该工作为设计高性能酶基生物传感器提供了新的材料复合思路和制备策略。
应用价值：所制备的MGA/Gox葡萄糖传感器表现出了优异的综合性能：高灵敏度（尤其是在低浓度范围）、低检测限、宽线性范围、快响应速度、强抗干扰能力和良好的重现性。更重要的是，研究成功将其应用于人体汗液葡萄糖的检测，并与血葡萄糖值变化趋势有良好的相关性，展现了其在无创、连续血糖监测领域的巨大应用潜力，为临床诊断、药物分析和生物电化学领域提供了一种有前景的传感平台。
六、 研究亮点
- 创新的材料设计与简便的制备工艺：采用“混合-冷冻干燥-自还原”一体化流程，无需复杂设备或苛刻条件，即可构建出结构可控、组分均匀的三维多孔复合材料。通过调节MXene与石墨烯的比例，可调控复合膜的孔隙结构和电导率。
- 多材料协同效应的充分利用：本研究不是简单的材料堆砌，而是充分发挥了MXene的亲水性、石墨烯的导电骨架作用以及AuNPs的导电与催化协同作用，实现了对酶固定微环境、电子传输路径和催化反应活性的全方位优化。
- 卓越的传感性能：最终传感器在多个关键指标上（灵敏度、检测限、响应时间）均表现突出，与文献中报道的其他GOx基葡萄糖传感器相比（参见文中Table 1），其综合性能具有明显优势，特别是在低浓度下的高灵敏度。
- 成功的概念验证与应用示范：研究不仅停留在实验室性能测试，更进一步完成了对真实人体汗液样本的检测，并获得了与金标准（血糖仪）数据相吻合的趋势，有力地证明了该传感器在实际应用中的可行性。
七、 其他有价值内容
文中通过对照实验（图S6）深入分析了性能提升的机理。研究表明，单独的MGA复合膜（不含GOx）对葡萄糖的催化响应很弱，而MG（不含AuNPs）/GOx传感器的循环伏安响应曲线中还原峰电位随葡萄糖浓度增加发生显著偏移，不利于确定恒电位检测的最佳电位。这反衬出MGA/Gox体系性能的优越性源于GOx与AuNPs的协同作用：AuNPs不仅能与GOx的部分结构强相互作用，缩短其活性中心与电极表面的电子传递距离，其自身也能催化氧化葡萄糖，从而与GOx共同作用，提高了传感器的灵敏度和稳定性。这一机理分析使研究结论更加扎实可靠。