三维多孔Ti3C2Tx MXene-石墨烯杂化薄膜用于葡萄糖生物传感的学术研究报告

一、 研究作者、机构及发表信息 本研究的主要作者包括顾晖（通讯作者）*、†, 邢屹丹‡, 熊平†, 唐慧玲†, 李陈晨†, 陈澍†, 曾荣金†, 韩凯（通讯作者）*，‡ 和史国跃§。 作者所属机构分别为： † 湖南科技大学， 化学与化工学院， 精细聚合物可控制备与功能应用湖南省重点实验室， 湖南湘潭， 411201， 中国。 ‡ 中南大学， 化学化工学院， 湖南长沙， 410083， 中国。 § 华东师范大学， 化学与分子工程学院生物传感技术实验室， 上海城市生态过程与生态恢复重点实验室， 上海， 200241， 中国。 本研究成果以题为 “Three-Dimensional Porous Ti3C2Tx MXene−Graphene Hybrid Films for Glucose Biosensing” 的学术论文形式， 发表于 ACS Applied Nano Materials 期刊， 于2019年9月25日正式在线发表（Received: August 2, 2019； Accepted: September 25, 2019； Published: September 25, 2019）， 卷号2， 页码6537–6545。

二、 学术背景与研究目的 本研究属于纳米材料与生物传感交叉领域， 具体聚焦于开发新型的酶固定化载体以构建高性能电化学生物传感器。 葡萄糖氧化酶（GOx）生物传感器在临床诊断、食品工业和生物过程监控中具有重要应用。 其性能核心在于如何将GOx高效、稳定地固定于电极表面， 并保持其生物活性， 同时实现快速的电子转移。

研究背景基于对二维（2D）纳米材料， 特别是石墨烯（graphene）的深入认识。 石墨烯因其巨大的比表面积、高导电性和良好的催化活性， 被广泛用于生物传感器构建。 然而， 独立的石墨烯片层之间存在强烈的π-π相互作用和范德华力， 容易无序堆叠， 严重降低了其有效比表面积并引入了层间电阻。 为了解决这一问题， 将二维石墨烯片构建成三维（3D）结构成为一种有效策略， 例如3D石墨烯泡沫。 但这种结构通常因表面官能团的去除和石墨烯片层的柔性而呈现出高度疏水性， 对酶的亲和力较弱， 导致酶吸附能力不足且结构不稳定。

基于此背景， 本研究旨在解决3D石墨烯结构在酶固定化中面临的亲和力低、结构不稳定的问题。 为此， 研究者引入了一种新兴的二维纳米材料家族——MXene， 特别是其中研究最为广泛的成员Ti3C2Tx。 Ti3C2Tx MXene纳米片（MNS）具有刚性片层结构， 表面富含亲水性官能团（如 -OH， -F）， 同时具备大比表面积和优异的导电性。 研究者设想， 将Ti3C2Tx MNS与石墨烯片复合， 可以结合两者的优势：Ti3C2Tx的刚性和亲水性有助于构建稳定且亲水的3D多孔框架， 而石墨烯的柔性有助于形成更开放的结构。 通过简单的混合-干燥过程， 构建出一种三维多孔Ti3C2Tx MXene-石墨烯（MXene-Graphene， 简称MG）杂化薄膜， 并将其作为葡萄糖氧化酶（GOx）的固定化平台， 开发高性能葡萄糖生物传感器。 研究的核心目的是探索这种新型MG杂化薄膜对酶固定化的增强效果， 并评估其葡萄糖生物传感性能。

三、 详细研究流程与方法 本研究的工作流程系统而完整， 主要包括以下几个步骤：

1. Ti3C2Tx MXene纳米片（MNS）的合成： 采用广泛使用的湿化学蚀刻法。 具体而言， 将Ti3AlC2粉末缓慢加入溶解于6 M HCl的2.5 M LiF溶液中， 在80°C下持续搅拌反应120小时。 反应后的沉淀物经反复离心和乙醇洗涤， 直至pH值达到约6， 随后在80°C下干燥。 将干燥后的粉末分散于二甲基亚砜（DMSO）中， 室温搅拌24小时以实现插层。 经过离心洗涤去除残留溶剂后， 将产物分散于蒸馏水中， 在氩气保护下进行超声处理（40 kHz, 150 W, 1小时）。 最后， 通过离心（3500 rpm, 1小时）获得上清液， 即为Ti3C2Tx MNS分散液（1.5 mg/ml）， 并储存于氮气环境中。

2. 3D多孔MG杂化薄膜及GOx生物传感器的制备： 此过程是本研究的核心创新之一， 方法简便。 首先， 将Ti3C2Tx MNS分散液与石墨烯片（分散于N-甲基吡咯烷酮中， 4 mg/ml）按不同重量比（2:1， 1:1， 1:2， 1:3）混合， 得到均匀的混合分散液。 随后， 将10 μL该混合分散液滴涂在预处理好的玻碳（GC）电极表面， 在60°C真空下干燥20分钟， 形成MG杂化薄膜修饰电极， 记为GC/MG（x:y）。 作为对比， 也制备了纯Ti3C2Tx薄膜和纯石墨烯薄膜修饰电极。 接着， 将10 μL葡萄糖氧化酶溶液（10 mg/mL in PBS）滴涂在修饰电极上， 于35°C真空烘箱中孵育20分钟， 实现酶的固定。 最后， 涂覆一层Nafion溶液（0.5% in 甲醇）作为保护层， 即制得最终的生物传感器， 储存于4°C备用。

3. 材料表征： 使用了多种表征技术来确认材料的成功合成和微观结构。 包括：

   • X射线衍射（XRD）： 分析Ti3AlC2蚀刻前后以及MG薄膜的晶体结构变化， 确认Al层的成功去除和Ti3C2Tx的形成。
   • X射线光电子能谱（XPS）： 分析Ti3C2Tx MNS的表面元素组成和化学态， 确认表面存在-O， -OH， -F等官能团。
   • 拉曼光谱（Raman）： 表征石墨烯和MG薄膜的结构特征（D峰和G峰）， 分析缺陷程度。
   • 扫描电子显微镜（SEM）： 观察纯Ti3C2Tx薄膜、纯石墨烯薄膜以及不同比例MG杂化薄膜的表面和截面形貌， 直观展示其多孔结构。
   • 透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）： 观察Ti3C2Tx MNS的形貌、尺寸和厚度。
   • 接触角测量： 量化不同薄膜的亲水性， 评估表面润湿性。
   • 能量色散X射线光谱（EDS）Mapping： 分析MG杂化薄膜中C， O， N， Ti， F等元素的分布， 验证两种纳米材料的均匀复合。

4. 电化学性能测试与生物传感分析： 所有电化学测试均在含有0.1 M PBS（pH 7.4）的三电极体系中进行。 主要实验包括：

   • 循环伏安法（CV）： 在氮气饱和的PBS中评估不同修饰电极（纯薄膜及不同比例MG薄膜）的基础电化学性能（背景电流）。 在氮气饱和的PBS中研究固定了GOx的生物传感器的直接电子转移行为（氧化还原峰）。 在氧气饱和的PBS中评估生物传感器对氧气的电催化还原性能， 这是其用于葡萄糖检测的基础。
   • 扫描速率影响研究： 通过改变CV扫描速率（10-400 mV/s）， 研究GOx在MG薄膜上的电子转移过程是表面控制还是扩散控制， 并利用Laviron方程计算表观电子转移速率常数（ks）。
   • 稳定性测试： 通过连续300圈的CV扫描， 比较MG薄膜、纯Ti3C2Tx薄膜和纯石墨烯薄膜基生物传感器的长期运行稳定性。
   • 葡萄糖检测性能： 在空气饱和或氧气饱和的PBS中， 连续加入不同浓度的葡萄糖， 记录生物传感器催化还原氧气电流的下降， 建立电流响应与葡萄糖浓度的线性关系， 计算灵敏度、线性范围和检测限。
   • 选择性测试： 考察生物传感器对常见干扰物（如氨基酸、生物活性小分子、金属离子）的响应， 评估其特异性。
   • 重现性与存储稳定性测试： 测试多个独立制备的生物传感器对同一浓度葡萄糖响应的重现性（RSD）， 以及生物传感器在4°C储存不同时间后性能的变化。
   • 实际样本分析： 将构建的生物传感器应用于健康志愿者血清样本中的葡萄糖含量检测， 并将结果与标准分光光度法进行对比， 验证其准确性和实际应用潜力。 所有血清样本的采集和使用均符合伦理规范。

四、 主要研究结果 研究获得了系统且具有说服力的结果， 逐步验证了初始设想：

1. 材料成功合成与表征结果： XRD图谱显示， Ti3AlC2的特征峰（104）在蚀刻后消失， 且Ti3C2Tx的（002）峰向低角度移动并展宽， 证实了成功的蚀刻和层间距增大。 XPS证实了Ti3C2Tx表面存在O， F等终止基团。 TEM和AFM显示获得的Ti3C2Tx MNS尺寸在200-500 nm， 厚度约2.2 nm， 呈平整片状。 SEM图像清晰揭示了不同比例MG杂化薄膜的形貌演变：纯Ti3C2Tx薄膜表面平整， 纯石墨烯薄膜表面褶皱， 而所有MG杂化薄膜均呈现出丰富的多孔结构。 随着石墨烯含量增加（从2:1到1:3）， 薄膜表面和截面的孔隙变得更大、更不规则。 接触角测试表明， 纯Ti3C2Tx薄膜（66°）比纯石墨烯薄膜（77°）更亲水， 而MG杂化薄膜的亲水性随着石墨烯比例增加（孔隙度增加）而显著增强， MG（1:3）薄膜的接触角降至42°， 显示出高度亲水的微环境。 EDS mapping显示C， Ti等元素在MG（1:2）薄膜截面均匀分布， 证实了两种材料的良好复合。

2. 薄膜电化学性能结果： CV测试表明， 在氮气饱和的PBS中， 随着薄膜中石墨烯比例增加， 背景电流逐渐增大， 表明更开放的3D多孔结构促进了电解质的传输。 特别地， MG（1:2）和MG（1:3）杂化薄膜的电流显著高于纯Ti3C2Tx和纯石墨烯薄膜， 证明了其优越的导电性和可及表面积。

3. 生物传感器性能结果：

   • 酶的直接电子转移： 在氮气饱和PBS中， GOx在MG（1:2）和MG（1:3）薄膜上显示出比其他比例薄膜及纯材料薄膜更明显、更尖锐的氧化还原峰（-0.518 V和-0.462 V）， 还原峰电流是纯Ti3C2Tx和纯石墨烯薄膜基传感器的2-3倍。 这表明多孔结构有效促进了GOx活性中心与电极表面的直接电子通讯。
   • 对氧气的电催化还原： 在氧气饱和PBS中， GOx在MG（1:2， 1:3）薄膜上对O₂还原表现出更高的催化电流， 这与直接电子转移性能的优劣趋势一致。
   • 电子转移动力学： 扫描速率研究表明， GOx在MG薄膜上的电子转移是表面控制的准可逆过程。 计算得到的表观电子转移速率常数（ks）高达1.71 s⁻¹， 远高于许多基于二维石墨烯的GOx生物传感器， 表明3D多孔结构极大地加速了电子转移。
   • 稳定性： 连续300圈CV扫描后， MG（1:2）薄膜基生物传感器的电流衰减可忽略不计， 而纯Ti3C2Tx和纯石墨烯薄膜基传感器在仅50圈后电流就显著下降。 这归因于MG薄膜的高亲水性、开放的多孔结构以及亲水的孔壁为GOx提供了更稳定的固定化微环境， 防止了酶的泄漏或失活。
   • 葡萄糖检测性能： 在空气和氧气饱和的PBS中， 基于MG（1:2）薄膜的生物传感器对葡萄糖表现出高灵敏度和宽线性范围。 灵敏度分别为12.10 μA/mM（空气）和20.16 μA/mM（氧气）， 显著高于文献中报道的其他3D多孔材料（如3D石墨烯薄膜、3D肯尼夫茎衍生碳）。 检测限分别低至0.10 mM（空气）和0.13 mM（氧气）。 传感器对多种潜在干扰物表现出良好的选择性（干扰率<7.5%）。
   • 重现性与稳定性： 10个独立制备的传感器对2.5 mM葡萄糖响应的相对标准偏差（RSD）仅为3.9%， 重现性良好。 在4°C储存45天后， 灵敏度仅下降6.8%， 显示了优异的长期储存稳定性。
   • 实际样本分析： 将传感器应用于10份健康人血清样本的葡萄糖检测， 测得平均浓度分别为4.91 ± 0.56 mM（空气）和4.90 ± 0.60 mM（氧气）。 通过t检验（t值远小于标准值2.13）与标准分光光度法的结果进行对比， 显示无显著差异， 证明了该生物传感器在实际复杂样本中检测的准确性和可靠性。

五、 研究结论与价值 本研究成功通过一种简便的混合-干燥过程， 构建了新型的三维多孔Ti3C2Tx MXene-石墨烯（MG）杂化薄膜。 通过简单地调控Ti3C2Tx MNS与石墨烯片的比例， 可以实现对薄膜内部孔隙尺寸的调控。 研究发现， 具有适中比例（如1:2和1:3）的MG杂化薄膜， 因其更开放的多孔结构和高亲水性的微环境， 能够显著促进葡萄糖氧化酶（GOx）进入薄膜内部孔隙并被稳定地固定和保留。 基于此薄膜构建的生物传感器在葡萄糖检测中表现出卓越的电催化能力、高灵敏度、优异的选择性和稳定性， 并成功应用于实际血清样本的检测， 结果准确可靠。

本研究的科学价值在于：1）首次将Ti3C2Tx MXene与石墨烯复合构建3D多孔薄膜用于酶固定化和生物传感， 为MXene材料在生物传感领域的应用开辟了新途径；2）揭示了通过调控二维纳米材料比例来调控3D多孔结构， 从而优化酶固定化效率的普适性策略；3）阐明了MG杂化薄膜增强酶固定化和生物传感性能的机制——即刚性MXene片层与柔性石墨烯片的协同作用， 共同构建了稳定、亲水、高导电且富含孔隙的3D网络。 其应用价值在于提供了一种高效、稳定、易于制备的酶固定化平台， 为开发高性能的酶基电化学生物传感器（不仅限于葡萄糖）提供了新的材料选择和技术思路。

六、 研究亮点 1. 材料创新： 首次将新兴的二维材料Ti3C2Tx MXene与经典的石墨烯结合， 通过物理自组装方式构建了三维多孔杂化薄膜， 巧妙地利用了MXene的刚性、亲水性与石墨烯的柔性、高导电性之间的互补优势。 2. 方法简便： 制备工艺极其简单（混合-滴涂-干燥）， 无需复杂模板或苛刻条件， 易于实现和规模化。 3. 性能卓越： 所制备的MG杂化薄膜基葡萄糖生物传感器在灵敏度、电子转移速率、操作稳定性和储存稳定性等方面均表现出优于许多同类报道的性能。 4. 机制明晰： 研究通过系统的形貌、亲水性和电化学表征， 清晰地将最终优异的生物传感性能归因于可调控的3D多孔结构和亲水微环境对酶固定化的增强作用， 建立了“结构-性质-性能”之间的明确关联。 5. 实际验证： 不仅限于缓冲液体系， 研究还成功将传感器应用于真实血清样本的检测， 并进行了严谨的方法学对比， 证明了其实际应用潜力。

七、 其他有价值的内容 本研究还展示了MG杂化薄膜良好的生物相容性和对复杂生物样本中常见干扰物的抗干扰能力， 这为其在活体在线监测等更复杂的生物医学应用场景中的潜在应用提供了初步支持。 此外， 文中提到的通过控制材料比例调控孔隙结构的方法， 可能不仅适用于MXene-石墨烯体系， 也对其他二维纳米材料构建功能化3D结构具有启发意义。 支持信息中提供的详细表征和电化学数据， 为进一步理解和复现该工作提供了充分依据。