本研究由泰国朱拉隆功大学石油与石化学院导电和电活性聚合物研究单位的Katesara Phasuksom、Nuttha Ariyasajjamongkol和Anuvat Sirivat*共同完成，并于2024年1月12日在期刊Heliyon（第10卷，文章编号e24346）上在线发表。该研究为一项原创性实验研究，旨在开发并比较两种基于新型复合材料修饰的丝网印刷碳电极（SPCE）的计时电流法酶促葡萄糖传感器。
本研究的科学领域属于电化学生物传感器，具体为用于血糖监测的酶促葡萄糖传感器的开发。血糖水平对于糖尿病诊断和管理至关重要，过高或过低均会引发严重的健康问题。目前，电化学传感器因其成本低、易于使用、灵敏度高和重复性好而成为最常用的检测平台。其中，基于SPCE的酶促葡萄糖传感器因其便携、可微型化、样本量需求小及一次性使用等特点，特别适用于即时检测（POC）设备。葡萄糖氧化酶（GOD）因其高选择性、高生物活性及低成本，是葡萄糖检测中最常用的酶。
然而，单纯的SPCE和酶固定技术存在灵敏度、检测限和线性范围等方面的局限。为提升传感器性能，通常采用对电极进行化学修饰的策略。导电聚合物（如聚吲哚）因其良好的生物相容性和可调节的电化学性质，常用于固定酶并促进电子转移。但聚吲哚的电导率相对较低。因此，将聚吲哚与其他高导电性纳米材料（如多壁碳纳米管MWCNT或MXenes）复合，是提高传感器电子传输能力、电催化活性和有效表面积的有效途径。
MXenes是一类新兴的二维过渡金属碳化物或氮化物，具有高电导率、大比表面积和良好的生物相容性，在生物传感器应用中潜力巨大。此前报道的MXene基葡萄糖传感器多使用Ti3C2。本研究首次尝试将另一种MXene材料——碳化钼（Mo3C2）用于葡萄糖传感器。同时，用于固定酶的生物聚合物载体的选择也至关重要。壳聚糖（Chitosan， Chi）和κ-卡拉胶（κ-Carrageenan， κC）是两种具有良好生物相容性的天然多糖，分别带正电和负电，它们与GOD之间的静电相互作用可能影响酶的固定效率和传感器性能，但此前尚无研究系统比较两者在葡萄糖传感器中的应用效果。
因此，本研究设定了两个明确目标：第一，制备并比较分别用MWCNT/掺杂聚吲哚（MWCNT-dPIN）复合材料和MXene（Mo3C2）/掺杂聚吲哚（Mo3C2-dPIN）复合材料修饰的计时电流法酶促葡萄糖传感器，其中Mo3C2是首次被应用于葡萄糖传感器。第二，比较两种带电特性不同的生物聚合物——带正电的壳聚糖（Chi）和带负电的κ-卡拉胶（κC）——作为GOD固定化支持基质时，对传感器性能的影响。
本研究的工作流程主要包括材料制备、电极修饰、表征、电化学性能测试以及传感器性能评估等多个步骤。
1. 材料合成与电极修饰： * 掺杂聚吲哚（dPIN）的合成： 采用氧化聚合法，以吲哚为单体，氯化铁为氧化剂合成聚吲哚。随后，用氢氧化铵进行去掺杂处理，再用高氯酸进行再掺杂，最终得到掺杂态聚吲哚粉末（dPIN）。 * 复合材料溶液的制备： 将MWCNT分散在乙二醇中，Mo3C2分散在丙二醇中，分别超声并搅拌。将dPIN粉末溶解在乙二醇中。然后将MWCNT或Mo3C2分散液与dPIN溶液按1：1体积比混合，搅拌获得均匀的MWCNT-dPIN和Mo3C2-dPIN复合溶液。 * 生物聚合物-酶溶液的制备： 将葡萄糖氧化酶（GOD）与壳聚糖溶液或κ-卡拉胶溶液按特定比例混合，并用谷氨酸作为交联剂，分别制得Chi-GOD和κC-GOD溶液。 * 丝网印刷碳电极（SPCE）的修饰： 首先，通过滴涂法将4微升复合材料溶液涂覆在SPCE的工作电极表面，干燥后形成复合层。然后，再滴涂5微升相应的生物聚合物-酶（Chi-GOD或κC-GOD）溶液，干燥完成酶的固定。由此制得三种主要传感器：Chi-GOD/Mo3C2-dPIN/SPCE、Chi-GOD/MWCNT-dPIN/SPCE和κC-GOD/MWCNT-dPIN/SPCE。
2. 表征分析： * 傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）： 用于验证各修饰层（复合材料、生物聚合物、酶）的特征官能团，分析材料间的相互作用（如氢键、静电相互作用）。 * X射线光电子能谱（XPS）： 用于分析电极表面各修饰步骤的元素组成及化学态变化，确认Mo3C2、dPIN、MWCNT以及生物聚合物和酶的成功引入。 * 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）： 用于观察不同修饰阶段电极表面的形貌，评估复合材料的结构（如多孔性、覆盖度）以及生物聚合物-酶层的表面粗糙度。
3. 电化学性能测试： * 循环伏安法（CV）： 在含有铁氰化钾/亚铁氰化钾（[Fe(CN)6]3-/4-）氧化还原探针的溶液中进行。首先，在不同扫描速率下测试，根据Randles-Sevcik方程计算各修饰电极的电化学活性表面积。其次，在10 mM葡萄糖溶液中测试，探究传感器反应机理（吸附控制还是扩散控制）。 * 电化学阻抗谱（EIS）： 在同一氧化还原探针体系中进行，通过分析Nyquist图来评估电极/电解质界面的电荷转移电阻，从而比较不同修饰层的导电性和电子转移能力。 * 计时电流法（CA）： 这是评估传感器葡萄糖响应性能的核心实验。在+0.6 V（vs. Ag/AgCl）的恒定电位下，测量传感器在不同浓度葡萄糖溶液（范围覆盖0.1 mM至100 mM）中的电流-时间响应曲线。通过绘制电流响应值与葡萄糖浓度的校准曲线，计算传感器的灵敏度、线性检测范围和检测限。
4. 传感器性能评估： * 选择性测试： 在含有10 mM葡萄糖的溶液中，分别加入抗坏血酸、尿酸、乳酸、氯化钾和氯化钠等常见干扰物，测量传感器的电流响应变化，评估其抗干扰能力。 * 重现性测试： 使用相同方法制备的7个传感器，测量其在10 mM葡萄糖溶液中的响应，计算相对标准偏差（RSD）。 * 重复使用性测试： 对同一个传感器进行多次葡萄糖检测（每次检测后清洗），观察电流响应的衰减情况，评估其是否适合一次性使用。 * 长期稳定性测试： 将传感器在4°C下储存，每隔7天测试其在10 mM葡萄糖溶液中的响应，持续28天，观察信号衰减情况。 * MWCNT含量影响研究： 考察MWCNT分散液浓度（2至12 mg/mL）对MWCNT-dPIN复合材料电化学性能及最终传感器葡萄糖响应的影响，以确定最佳浓度。
本研究未涉及特殊或自创的实验设备、软件或算法，主要使用了常规的化学合成、表征仪器和电化学工作站。数据分析主要基于电化学工作站配套软件（PSTrace 5.9）以及XPS数据分析软件（CasaXPS），通过计算和图表绘制来提取关键性能参数。
1. 材料表征结果： * FTIR和XPS： 成功确认了dPIN、MWCNT、Mo3C2、壳聚糖、κ-卡拉胶和GOD在电极表面的存在。FTIR谱图显示，在Chi-GOD或κC-GOD固定后，酰胺I带和酰胺II带信号增强并发生位移，表明生物聚合物与GOD之间存在氢键或静电相互作用。XPS元素分析显示了相应元素（如Mo、N、S）含量的变化，证实了各修饰层的成功沉积。 * FE-SEM形貌分析： MWCNT-dPIN显示出多孔的纤维状结构，dPIN均匀覆盖在MWCNT上，表明两者相容性良好，存在π-π相互作用。而Mo3C2-dPIN则呈现为dPIN与Mo3C2颗粒的混合，部分Mo3C2未被完全覆盖，表明两者相容性相对较差。生物聚合物-酶层的形貌因聚合物种类而异，κC-GOD/MWCNT-dPIN的表面粗糙度高于Chi-GOD/MWCNT-dPIN。
2. 电化学性能结果： * CV和EIS： MWCNT-dPIN修饰电极显示出比Mo3C2-dPIN和裸SPCE更高的氧化还原峰电流和更低的电荷转移电阻（Rct）。MWCNT-dPIN的Rct为75 Ω，而Mo3C2-dPIN为900 Ω（裸SPCE为1800 Ω）。这表明MWCNT-dPIN具有更优的导电性和更快的电子转移速率。 * 电化学活性表面积： MWCNT-dPIN的电化学活性表面积（54.0 mm²）显著大于Mo3C2-dPIN（31.3 mm²）和裸SPCE（8.81 mm²）。固定酶后，表面积有所减小，但κC-GOD/MWCNT-dPIN（49.9 mm²）仍大于Chi-GOD/MWCNT-dPIN（39.9 mm²）。更大的活性表面积意味着更多的酶固定位点和更高的电催化反应效率。
3. 传感器性能结果（计时电流法）： * 灵敏度、线性范围和检测限： * Chi-GOD/Mo3C2-dPIN： 灵敏度较低（3.53 μA mM−1 cm−2），线性范围较窄（2.5–10 mM），计算检测限（LOD）为1.57 mM。 * Chi-GOD/MWCNT-dPIN： 灵敏度显著提高（18.85 μA mM−1 cm−2），线性范围拓宽（0.5–25 mM），计算LOD为0.115 mM。 * κC-GOD/MWCNT-dPIN： 具有最宽的线性范围（0.1–50 mM），灵敏度为15.80 μA mM−1 cm−2，计算LOD最低，为0.03 mM。 * 机理研究： 通过CV在不同扫速下的测试，确定Chi-GOD传感器的反应为吸附控制，而κC-GOD传感器为吸附与扩散混合控制。使用显色法证实了葡萄糖氧化反应中过氧化氢（H2O2）的生成，验证了传感机理。 * 性能评估： * 选择性： 三种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。 * 重现性： 7个独立制备的传感器响应RSD均低于5%（Chi-GOD/Mo3C2-dPIN为4.23%，其余低于1.5%），表明制备方法重现性优秀。 * 重复使用性与稳定性： 传感器在第二次和第三次使用时电流响应显著下降，表明其适合一次性使用。在28天的稳定性测试中，基于MWCNT-dPIN的传感器（Chi-和κC-）均保持了约93%的初始响应，而基于Mo3C2-dPIN的传感器则下降至77%，表明MWCNT-dPIN复合材料与酶固定层具有更好的长期稳定性。 * MWCNT含量优化： 实验发现，当MWCNT分散液浓度为10 mg/mL时，复合材料的电化学性能和传感器的葡萄糖响应达到最佳，过高浓度会导致涂层过厚，阻碍电子转移。
逻辑关系： 表征结果（如FE-SEM显示的形貌差异、XPS显示的元素组成）直接解释了电化学性能差异（MWCNT-dPIN具有更低的Rct和更大的表面积）。这些优异的电化学性能进一步转化为更优越的传感器性能（更高的灵敏度、更宽的线性范围、更低的LOD）。生物聚合物类型的比较（κC vs. Chi）则通过影响酶固定层的形貌和电化学活性表面积，最终影响了传感器的线性检测范围。
本研究成功开发并系统比较了基于MXene（Mo3C2）和MWCNT与掺杂聚吲哚复合材料的酶促葡萄糖传感器，并首次将Mo3C2应用于葡萄糖传感。主要结论如下： 1. 复合材料对比： MWCNT-dPIN在电化学活性表面积、电荷转移电阻和葡萄糖传感性能方面均明显优于Mo3C2-dPIN。MWCNT与dPIN之间良好的相容性是其性能优越的关键。 2. 生物聚合物对比： 以κ-卡拉胶作为酶固定载体的传感器（κC-GOD/MWCNT-dPIN）展现了所有测试传感器中最宽的线性检测范围（0.1-50 mM），能够完全覆盖健康人和糖尿病患者血液、尿液和汗液中的葡萄糖浓度范围，具有极高的实用潜力。 3. 综合性能： 基于MWCNT-dPIN的传感器（无论是Chi-GOD还是κC-GOD）均表现出高灵敏度、良好的选择性、优异的制备重现性、高稳定性以及适合一次性使用的特点，满足作为实用化血糖传感器的基本要求。
科学价值与应用价值： * 科学价值： 首次将MXene材料Mo3C2引入葡萄糖传感器领域，并提供了与成熟材料MWCNT的详细对比数据，为MXene家族其他成员在生物传感中的应用提供了参考。系统比较了带相反电荷的两种生物聚合物载体对酶固定和传感器性能的影响，深化了对酶-载体界面相互作用的理解，为优化生物传感器设计提供了新思路。 * 应用价值： 所开发的传感器，特别是κC-GOD/MWCNT-dPIN/SPCE，因其宽线性范围、高灵敏度和良好的稳定性，有望发展为一种低成本、便携、一次性使用的即时检测（POC）设备，用于糖尿病患者的日常血糖监测，甚至拓展至汗液或尿液葡萄糖的无创或微创检测领域。
论文中提供了详尽的补充材料，包括所有电化学和分析参数总结表、补充的FTIR图谱、详细的LOD计算过程、连续葡萄糖响应曲线以及MWCNT浓度影响的研究数据等，这些内容增强了研究的可靠性和透明度，为其他研究者复现和进一步研究提供了充分的信息。同时，作者在讨论部分将本研究传感器的性能与近年来报道的其他基于导电聚合物复合物的酶促葡萄糖传感器进行了详细的表格对比，客观地定位了本工作的性能水平和创新点。