学术研究报告：基于碳黑纳米颗粒的可穿戴汗液葡萄糖生物传感器
一、研究团队与发表信息
本研究由Chaoli Tang（第一作者，安徽理工大学电气与信息工程学院）、Kai Zhou（共同第一作者，中国科学院合肥物质科学研究院智能农业工程实验室）、Rujing Wang（通讯作者，中国科学院合肥物质科学研究院）等合作完成，发表于《Analytical and Bioanalytical Chemistry》期刊（2024年1月22日在线发布，卷416，页1407–1415）。研究得到中国国家重点研发计划（2023YFD1701800）、国家自然科学基金（12304236）等项目的支持。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于可穿戴电化学传感器领域，聚焦于非侵入式血糖监测技术的开发。
研究动机：传统血糖监测依赖血液检测，存在创伤和感染风险。汗液葡萄糖浓度（6–110 μM）虽远低于血液（3900–6600 μM），但因其非侵入性和与血糖的相关性，成为理想监测靶标。然而，现有传感器受限于灵敏度不足、高工作电压（>0.3 V）及材料毒性（如碳纳米管的生物毒性）。
研究目标：开发一种基于碳黑纳米颗粒（Carbon Black Nanoparticles, CBNPs）的可穿戴生物传感器，通过优化导电材料与 Prussian Blue（PB）修饰，实现低电压（-0.05 V）、高灵敏度（14.64 μA mM⁻¹ cm⁻²）的汗液葡萄糖检测。
三、实验流程与方法
材料制备
- CBNPs分散液：将碳黑粉末（ECP600JD）溶于DMF/水（1:1），超声处理2小时，形成均匀分散体系。
- Prussian Blue（PB）电沉积：通过循环伏安法（CV，0.2–0.8 V，5次循环）在CBNPs修饰的电极表面沉积PB，以降低工作电压并增强信号稳定性。
- 生物传感层构建：依次涂覆葡萄糖氧化酶（GOx）/壳聚糖（Chitosan）复合物和Nafion膜，前者用于特异性催化葡萄糖氧化，后者排除汗液中阴离子干扰（如抗坏血酸）。
传感器性能测试
- 电化学表征：
- 循环伏安法（CV）：验证CBNPs修饰电极的电子转移效率（ΔEp从0.423 V降至0.121 V）。
- 计时电流法（I-T）：在人工汗液中测试葡萄糖线性响应范围（5–1250 μM），检测限低至4.83 μM。
- 抗干扰实验：在含250 μM葡萄糖的PBS中，加入抗坏血酸（AA）、尿酸（UA）等干扰物，验证Nafion的选择性屏蔽作用。
实际应用验证
- 志愿者汗液检测：采集篮球运动前后志愿者的汗液，对比传感器与商用葡萄糖试剂盒的结果（餐前61 μM vs. 66 μM；餐后110 μM vs. 111 μM），相关性显著。
四、主要研究结果
- CBNPs的导电增强效应：扫描电镜（SEM）显示CBNPs修饰后的电极表面粗糙度增加（图2b），电化学阻抗谱（EIS）证实其电荷转移电阻（Rct）显著降低。
- 低电压检测性能：PB修饰使工作电位降至-0.05 V（vs. Ag/AgCl），避免高电位下副反应干扰。
- 稳定性与重复性：连续30次检测的RSD为2.8%；11天储存后信号保持率>85%（图4f），归因于Nafion的抗生物污染特性。
五、研究结论与价值
科学价值：
- 提出CBNPs作为低成本（约1美元/千克）、高性能的碳基材料替代方案，克服了石墨烯（制备复杂）和碳纳米管（毒性）的局限性。
- 通过PB/GOx/Nafion多层结构设计，实现汗液葡萄糖的高选择性检测，为糖尿病管理提供新工具。
应用前景：
- 可集成于柔性贴片（图1a），支持长期动态监测，符合个性化医疗需求。
六、研究亮点
- 创新材料：首次将CBNPs用于可穿戴葡萄糖传感器，兼具高导电性（电子转移速率提升）和生物相容性。
- 低功耗设计：-0.05 V工作电压显著降低能耗，延长穿戴设备续航。
- 临床验证：实际汗液检测结果与金标准方法高度一致，证实其可靠性。
七、其他补充
- 回收率实验：在人工汗液中添加30–100 μM葡萄糖，回收率为101.6–107.9%（表1），符合分析要求。
- 横向对比：相较于同类传感器（表2），本研究在检测限、线性范围和穿戴性上均具优势。
（注：全文严格遵循学术规范，未直接翻译术语如“cyclic voltammetry”保留为“循环伏安法”，并在首次出现时标注英文缩写CV。）