本研究由Katesara Phasuksom、Nuttha Ariyasajjamongkol和Anuvat Sirivat*（通讯作者）完成，他们均来自泰国朱拉隆功大学石油与石油化工学院导电与电活性聚合物研究单元。该项研究成果以题为《Screen-printed electrode designed with MXene/doped-polyindole and MWCNT/doped-polyindole for chronoamperometric enzymatic glucose sensor》的研究论文形式，发表于Elsevier旗下的开放获取期刊《Heliyon》第10卷（2024年），具体在线发表于2024年1月12日。该论文是一篇完整的研究论文，符合类型a的定义，即报告了一项单一的原创性研究。以下将就此研究撰写详细的学术报告。
研究背景与目的 本研究的科学领域属于生物传感器，具体聚焦于电化学生物传感技术，特别是用于糖尿病管理的酶促葡萄糖传感器。血糖水平是诊断和管理糖尿病的关键指标，其异常与多种健康问题密切相关。目前，电化学生物传感器因其使用便捷、成本低、灵敏度高和重复性好等优点，成为最常用的检测手段之一，尤其适合作为即时检测（point-of-care）设备。其中，基于丝网印刷碳电极（Screen-printed carbon electrode, SPCE）的酶促葡萄糖传感器因其低成本、便携、一次性使用和可大规模生产等特点，已被多家主要公司商业化应用。
然而，传感器性能的提升始终是研究的核心。导电聚合物因其可调节的光电特性、与生物分子的兼容性以及易于在电极表面修饰等优点，被广泛用于修饰电极以提高性能。聚吲哚（Polyindole, Pin）是一种具有稳定氧化还原活性、低成本、低毒性的导电聚合物，但其电导率低于其他常见导电聚合物（如聚苯胺、聚吡咯等）。因此，构建导电聚合物复合材料是提高电导率、增强酶固定化和电子转移能力的有效策略。
基于此，本研究设定了两个主要目标。第一，在SPCE上制备计时电流法（Chronoamperometric）酶促葡萄糖传感器，并系统比较两种复合材料——多壁碳纳米管/掺杂聚吲哚（MWCNT/doped-polyindole, MWCNT-dPin）和MXene/掺杂聚吲哚（MXene/doped-polyindole, Mo₃C₂-dPin）——作为电极修饰材料的性能。本研究所用的MXene为碳化钼（Mo₃C₂），这是首次将其应用于葡萄糖传感器的报道，具有探索性意义。第二，比较两种生物聚合物——壳聚糖（Chitosan, Chi，一种聚阳离子聚合物）和κ-卡拉胶（κ-Carrageenan, κC，一种聚阴离子聚合物）——作为葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase, GOD）固定化载体的效果，探究它们通过静电作用固定GOD的差异。
详细研究流程 本研究的工作流程主要包括材料合成与制备、电极修饰、表征、电化学测量以及传感器性能评估等多个步骤，逻辑严谨，环环相扣。
第一，材料合成与电极修饰层的制备。 首先，通过氧化聚合法合成了聚吲哚（Pin），并依次进行了脱掺杂（使用氢氧化铵）和再掺杂（使用高氯酸）处理，最终得到掺杂聚吲哚（dPin）。其次，分别制备了复合材料分散液：将MWCNT分散在乙二醇中，将Mo₃C₂ MXene分散在丙二醇中，将dPin溶解在乙二醇中。最后，将MWCNT分散液与dPin溶液、Mo₃C₂分散液与dPin溶液按1:1体积比混合，搅拌得到均匀的MWCNT-dPin和Mo₃C₂-dPin复合材料溶液。同时，制备了两种生物聚合物-酶溶液：将GOD的PBS溶液分别与壳聚糖溶液或κ-卡拉胶溶液按比例混合，并用谷氨酸作为交联剂的溶剂。
第二，丝网印刷电极的修饰。 采用滴涂法对SPCE的工作电极进行修饰，流程如下：1）滴涂4 μL复合材料溶液（MWCNT-dPin或Mo₃C₂-dPin），干燥，在电极表面形成导电复合层；2）滴涂5 μL生物聚合物-酶溶液（Chi-GOD或κC-GOD），干燥，完成酶的固定化。最终得到三种主要的传感器：Chi-GOD/Mo₃C₂-dPin、Chi-GOD/MWCNT-dPin和κC-GOD/MWCNT-dPin。整个修饰过程示意图清晰明了。
第三，材料的表征。 研究使用了多种物理化学表征手段来确认材料的成功合成、复合以及修饰电极的表面性质。1）傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）：用于分析修饰电极表面的官能团。结果表明，成功检测到了dPin的特征峰（如N-H伸缩振动）、生物聚合物和GOD的特征峰（如酰胺I带和II带）。对于两种生物聚合物基传感器，酰胺I带和II带的峰位移动和信号增强，证实了GOD与壳聚糖或κ-卡拉胶之间存在氢键或静电相互作用。2）X射线光电子能谱（XPS）：用于分析表面元素组成。结果表明，修饰后出现了相应复合材料（Mo、N for Mo₃C₂-dPin；N for MWCNT-dPin）和生物聚合物/酶（O、N增加；对于κC-GOD，出现了S元素）的特征元素，证明了各层的成功引入。3）场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）：用于观察表面形貌。结果显示，原始SPCE表面为碳纳米颗粒与石墨烯片的混合；Mo₃C₂-dPin呈现dPin与Mo₃C₂颗粒的混合，部分Mo₃C₂未被dPin完全包覆，表明两者相容性一般；而MWCNT-dPin则显示出MWCNT纤维被dPin完全且多孔地包覆，形貌均匀，这归因于dPin与MWCNT之间的π-π相互作用。固定酶后，表面形貌变得更为平滑，且κC-GOD/MWCNT-dPin的表面粗糙度高于Chi-GOD/MWCNT-dPin。
第四，电化学测量与性能评估。 这是本研究的核心部分，通过一系列标准化的电化学测试来评估修饰电极的基本性质和传感器性能。 1. 循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）与电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）：在含有[Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻氧化还原探针的溶液中进行测试，评估电极的电子传递能力和电化学活性表面积。结果表明，MWCNT-dPin修饰的电极比Mo₃C₂-dPin和裸SPCE表现出更高的氧化还原电流和更低的电荷转移电阻（Rct），证明其具有更优异的导电性和更快的电子转移速率。通过Randles-Sevcik方程计算电化学活性表面积，MWCNT-dPin（54.0 mm²）远大于Mo₃C₂-dPin（31.3 mm²）和裸SPCE（8.81 mm²）。固定酶后，由于酶和生物聚合物层的绝缘性质，所有传感器的Rct均有所增加，氧化还原电流下降，电化学活性表面积减小，但MWCNT-dPin基的传感器仍保持相对优势。其中，κC-GOD/MWCNT-dpin的电化学活性表面积（49.9 mm²）大于Chi-GOD/MWCNT-dpin（39.9 mm²）。 2. 计时电流法（Chronoamperometry）：这是评估葡萄糖传感性能的关键实验。在+0.6 V (vs. Ag/AgCl)的恒定电位下，检测不同浓度葡萄糖溶液产生的电流响应。电流响应源于GOD催化葡萄糖氧化产生过氧化氢（H₂O₂），随后H₂O₂在电极表面氧化产生电子。通过绘制电流响应与葡萄糖浓度的校准曲线，可以计算出传感器的灵敏度、线性范围和检测限。此外，研究还通过CV在葡萄糖溶液中扫描，并根据阳极峰电流与扫描速率对数的关系，推断出传感器表面的反应是受吸附控制还是扩散-吸附混合控制。 3. 传感器性能综合测试：包括选择性（在葡萄糖溶液中加入抗坏血酸、尿酸等常见干扰物，观察电流变化）、重现性（同一批次制备的7个传感器对同一浓度葡萄糖的响应一致性）、重复性（同一传感器多次使用的稳定性）和长期稳定性（在4°C储存不同天数后测试其响应）。这些测试全面评估了传感器的实用潜力。
第五，机理验证实验。 为了证实传感机制确实是基于GOD催化的H₂O₂生成途径，研究使用显色剂（邻联茴香胺）和过氧化物酶进行了验证。将修饰电极浸入葡萄糖溶液后，溶液颜色由无色变为棕色，这证实了H₂O₂的生成，从而支持了所提出的酶促反应机理。
主要研究结果 研究在每个环节都获得了明确的数据支持，并层层递进地推导出最终结论。
在材料表征方面，FTIR和XPS数据证实了dPin、MXene/MWCNT以及生物聚合物-GOD复合物的成功制备与结合。FE-SEM形貌图直观展示了MWCNT-dPin复合材料具有更均匀、多孔的结构，这与其优异的电化学性能直接相关。
在基础电化学性能方面，CV和EIS结果一致表明，MWCNT-dPin在提高电极导电性、增大电化学活性表面积和降低界面电荷转移阻力方面全面优于Mo₃C₂-dPin。这为后续其表现出更优越的葡萄糖传感性能奠定了物质基础。
在葡萄糖传感核心性能方面，计时电流法的结果至关重要： * Chi-GOD/Mo₃C₂-dPin：灵敏度为3.53 μA mM⁻¹ cm⁻²，线性范围为2.5-10 mM，计算检测限（LOD）为1.574 mM。虽然灵敏度高于实用血糖传感器的最低要求（1 μA mM⁻¹ cm⁻²），但线性范围较窄，LOD较高。 * Chi-GOD/MWCNT-dPin：表现出显著提升的性能。在0.5-25 mM范围内灵敏度高达18.85 μA mM⁻¹ cm⁻²，LOD为0.115 mM。在更高浓度范围（25-75 mM）仍保持3.43 μA mM⁻¹ cm⁻²的灵敏度。 * κC-GOD/MWCNT-dPin：展现了最宽的线性范围（0.1-50 mM）和良好的灵敏度（15.80 μA mM⁻¹ cm⁻²），同时LOD最低，为0.030 mM（30 μM）。
这些数据清晰表明：1）MWCNT-dPin作为电极修饰材料，其性能显著优于首次用于葡萄糖传感器的Mo₃C₂-dPin。2）在固定GOD时，使用聚阴离子聚合物κ-卡拉胶比使用聚阳离子聚合物壳聚糖能获得更宽的检测线性范围，这可能归因于κC-GOD/MWCNT-dPin具有更大的电化学活性表面积，以及κ-卡拉胶与GOD上带正电的赖氨酸残基之间的静电相互作用可能提供了更有利的酶固定微环境。
在综合性能方面，所有制备的传感器对常见干扰物的电流响应变化均小于12%，表现出良好的选择性。批次重现性的相对标准偏差（RSD）均小于5%（其中两个MWCNT-dPin基传感器RSD<1.3%），显示制备工艺稳定。重复性测试表明传感器更适合一次性使用。长期稳定性测试显示，MWCNT-dPin基传感器在储存28天后仍能保持约93%的初始响应，稳定性优于Mo₃C₂-dPin基传感器（77%），这归因于MWCNT与dPin之间更强的π-π相互作用。
研究结论与价值 本研究成功设计并比较了基于MXene/dPin和MWCNT/dPin复合材料的酶促葡萄糖传感器。主要结论如下：MWCNT-dPin复合材料在形貌相容性、电化学活性表面积、电荷传输能力等方面均优于Mo₃C₂-dPin复合材料，从而导致基于前者的葡萄糖传感器具有更高的灵敏度、更低的检测限和更宽的线性范围。在生物聚合物载体比较中，κ-卡拉胶（κC）展现了比壳聚糖（Chi）更宽的葡萄糖检测线性范围。最优的传感器κC-GOD/MWCNT-dPin实现了从0.1 mM到50 mM的宽线性检测范围，覆盖了健康人群和糖尿病患者血液、尿液和汗液中葡萄糖的典型浓度范围，具备作为实用化葡萄糖传感器的潜力。该传感器还表现出良好的选择性、重现性和稳定性。
本研究的科学价值在于：首次系统地将MXene材料Mo₃C₂与导电聚合物dPin复合用于葡萄糖传感，并与成熟的MWCNT-dPin体系进行对比，为新型MXene材料在生物传感领域的应用提供了有价值的实验数据和性能基准。同时，系统比较了壳聚糖和κ-卡拉胶这两种带电性质相反的生物聚合物作为酶固定载体的效果，丰富了酶固定化策略的认识。其应用价值在于：所开发的基于丝网印刷电极和滴涂法制备的传感器，工艺相对简单，成本可控，性能满足临床检测需求，为开发一次性、便携式血糖监测设备提供了有前景的技术方案。
研究亮点 本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1）材料新颖性：首次探索并报道了MXene材料Mo₃C₂在酶促葡萄糖传感器中的应用，拓展了MXene家族在生物传感领域的应用范围。2）系统性对比研究：工作设计严谨，不仅对比了两种纳米材料（MWCNT vs. Mo₃C₂）与dPin复合的效果，还对比了两种不同电荷性质的生物聚合物（壳聚糖 vs. κ-卡拉胶）的固定化性能，研究全面且深入。3）性能优越：所制备的最优传感器（κC-GOD/MWCNT-dPin）获得了极宽的线性范围（0.1-50 mM）和较低的检测限，完全覆盖了生理和病理相关的葡萄糖浓度，实用化潜力高。4）机理明确，表征完备：结合了FTIR、XPS、FE-SEM等多种表征手段和系统的电化学测试，从化学结构、表面形貌到电化学行为，层层深入地阐明了材料结构与传感器性能之间的构效关系，并验证了传感机制。
这项研究是一项设计周密、数据翔实、结论明确的优秀工作，不仅在学术上对新型复合材料在生物传感中的应用进行了有益探索，也在应用上为高性能、低成本葡萄糖传感器的开发提供了切实可行的路径。