基于ZnO四脚体与MXene纳米片复合的可拉伸皮肤贴附式电化学葡萄糖传感器的开发及其在汗液监测中的应用

一、 研究团队与发表信息

本研究由波兰亚当·密茨凯维奇大学纳米生物医学中心的Valerii Myndrul、Emerson Coy、Nataliya Babayevska和Igor Iatsunskyi（通讯作者）牵头，联合乌克兰材料研究中心、法国蒙彼利埃大学欧洲膜研究所、意大利Biosensor Srl公司及意大利国家研究委员会晶体学研究所的多个团队共同完成。研究成果以题为“MXene nanoflakes decorating ZnO tetrapods for enhanced performance of skin-attachable stretchable enzymatic electrochemical glucose sensor”的论文形式，于2022年3月6日在线发表于学术期刊《Biosensors and Bioelectronics》第207卷（文章编号114141）。该期刊是生物传感器与生物电子学领域的顶级期刊，这标志着本项工作获得了国际同行的认可。

二、 学术背景与研究目的

本研究的核心科学领域是可穿戴生物传感技术，具体聚焦于无创、连续的生理标志物监测。全球有超过4.22亿糖尿病患者，传统的指尖采血检测方式带来疼痛和不便，且无法提供连续的血糖动态信息。因此，开发一种能够无创、实时、连续监测血糖水平的技术具有巨大的临床需求和市场潜力。汗液作为一种易于无创获取的生物体液，含有包括葡萄糖在内的多种生理标志物，是替代血液进行连续监测的理想对象。

然而，实现可靠的汗液葡萄糖监测面临两大挑战：一是汗液与血液葡萄糖浓度之间的确切相关性尚不明确，但研究指出汗液葡萄糖水平仍能定性地指示低血糖或高血糖状态，为自我健康管理提供干预信号；二是需要开发高性能的传感器换能器，其材料需具备对葡萄糖氧化的高催化活性、优异的导电性（尤其是在汗液等复杂基质中），以及良好的机械柔韧性和皮肤贴合性。

为此，本研究设定了明确目标：开发一种新型的、皮肤可贴附的、可拉伸的酶促电化学葡萄糖传感器。该传感器的核心创新在于其活性材料——氧化锌四脚体与MXene（Ti3C2Tx）纳米片的复合材料。选择ZnO四脚体是因为其独特的3D互联网络结构提供了极高的比表面积，有利于分析物吸附和酶固定，从而提升灵敏度。选择MXene这类二维过渡金属碳化物，是因为其具有类金属的高导电性和亲水表面，易于功能化，能有效解决ZnO本身电阻较高的问题，促进电子转移。研究者假设，将高比表面积的ZnO四脚体与高导电性的MXene纳米片复合，可以协同提升传感器的电催化性能、灵敏度和机械稳定性，最终实现对人体汗液中葡萄糖的定性、连续、实时监测。

三、 详细研究流程与方法

本研究遵循了材料设计、制备、表征、传感器构建、性能评估及实际应用验证的系统性工作流程。

1. 核心纳米复合材料的制备与表征： * ZnO四脚体的合成： 采用无催化剂的氧化金属蒸气传输法。将锌粉在1000°C的空气中热蒸发1小时，直接在陶瓷坩埚中沉积得到白色ZnO四脚体粉末。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）确认其形貌为四个“腿”从中心核伸出的典型四脚结构，平均长度约8微米。 * MXene（Ti3C2Tx）纳米片的制备： 采用温和的氢氟酸锂（LiF/HCl）蚀刻法从Ti3AlC2（MAX相）前驱体制备。将Ti3AlC2粉末加入LiF的HCl溶液中搅拌蚀刻24小时。随后，利用LiCl溶液进行插层和温和剥离，获得MXene胶体溶液。进一步通过高强度超声处理，将MXene片层破碎成平均直径约100纳米的纳米片。 * ZnO四脚体/MXene纳米复合材料的制备： 这是本研究的创新点之一（首次报道用MXene纳米片装饰ZnO纳米结构）。首先，用2%的（3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）溶液处理ZnO四脚体，在其表面引入氨基官能团。然后，将功能化的ZnO四脚体与MXene纳米片按质量比2:1（2 mg/mL ZnO : 1 mg/mL MXene）在去离子水中混合，并在室温下超声处理2小时。通过离心清洗去除未结合的MXene，得到ZnO/MXene复合材料。SEM和TEM图像显示，经过APTES处理后，MXene纳米片能够均匀地覆盖在ZnO四脚体表面，形成紧密的界面。 * 材料表征： 综合利用了多种技术对材料进行深入分析。SEM和TEM用于观察形貌和微观结构。X射线衍射（XRD）分析晶体结构。X射线光电子能谱（XPS）用于分析表面元素组成、化学态及价带结构，证实了ZnO与MXene之间形成了化学相互作用，且复合材料价带最大值下移，预示着电阻降低和催化活性可能增强。拉曼光谱进一步提供了材料结构和缺陷的信息。zeta电位测量显示ZnO（+35 mV）和MXene（-27 mV）带有相反电荷，有利于静电结合。

2. 可拉伸皮肤贴附式传感器的制备： 采用丝网印刷技术，在125微米厚的聚氨酯（PTU）基底上印制银/氯化银/碳三电极系统（工作电极、对电极、参比电极），制成可拉伸的皮肤贴附式电极基底。随后，将制备好的ZnO/MXene复合材料与Nafion聚合物溶液（用NaOH中和至pH=7）混合，取8微升滴涂在工作电极区域，65°C干燥1小时。冷却后，用戊二醛（GA）蒸气交联固定，再滴加葡萄糖氧化酶（GOx）溶液（20 mg/mL），在4°C下孵育12小时，形成对葡萄糖特异识别的酶层。最后，覆盖一层Nafion保护膜，以增强选择性并防止生物污染，制成最终的ZnO/MXene/GOx传感器。作为对照，同时制备了仅含ZnO/GOx和仅含MXene/GOx的传感器。

3. 电化学性能与传感特性评估： * 基础电化学行为： 在磷酸盐缓冲液（PBS， pH 7.4）中，使用循环伏安法（CV）在不同扫描速率下测试三种传感器（ZnO/GOx, MXene/GOx, ZnO/MXene/GOx）的电化学行为。结果显示，所有电极的峰电流与扫描速度的平方根呈线性关系，表明是扩散控制的准可逆过程。通过Laviron公式计算电子转移速率常数（ks），发现ZnO/MXene/GOx电极的ks值（1.01 s⁻¹）显著高于ZnO/GOx（0.48 s⁻¹）和MXene/GOx（0.36 s⁻¹）电极，证明MXene的引入有效促进了电极与固定化酶之间的电子转移。电化学阻抗谱（EIS）也证实了ZnO/MXene复合材料具有更低的电阻。 * PBS中的葡萄糖检测性能： 采用计时电流法（Chronoamperometry）在恒定工作电位下（ZnO/MXene/GOx电极：-0.24 V vs. Ag/AgCl）进行检测。通过连续添加不同浓度的葡萄糖溶液，记录电流响应。结果表明，ZnO/MXene/GOx传感器表现出阶梯状的电流下降（因葡萄糖氧化消耗氧气，导致氧还原电流减小），灵敏度高达27.87 μA mM⁻¹ cm⁻²，检测限（LOD）低至17 μM，线性检测范围（LDR）覆盖0.05-0.7 mM，满足汗液葡萄糖检测的生理范围需求。其性能优于两个对照组传感器。 * 人工汗液中的性能验证： 在模拟真实汗液环境的人工汗液（pH 6.5，含NaCl, KCl, 尿素等）中测试最优的ZnO/MXene/GOx传感器。其灵敏度进一步提升至29.88 μA mM⁻¹ cm⁻²，LOD为21 μM。选择性测试显示，在存在抗坏血酸、尿酸、尿素、多巴胺、Na⁺、K⁺、甘氨酸等多种潜在干扰物的情况下，传感器对葡萄糖的响应几乎不受影响，这归功于GOx的特异性以及较低的负工作电位避免了干扰物的电化学氧化。 * 机械稳定性测试： 使用定制装置对传感器进行拉伸测试，应变范围从0%到35%。结果显示，在高达30%的拉伸应变下，传感器的电流响应保持稳定（95%-100%），且对不同浓度葡萄糖的校准曲线斜率基本不变，表明其具有良好的机械鲁棒性，适合贴附在活动皮肤上使用。 * 长期稳定性与重现性： 在10天的周期内，传感器每日测试后清洗并冷藏，其响应信号最大偏差约10%，表现出良好的长期稳定性。使用相同工艺制备的12组传感器，其性能参数偏差在10%以内，证明了制备工艺的重现性。

4. 人体在体汗液监测验证： 这是将实验室研究推向实际应用的关键一步。研究招募了两名健康志愿者（25-30岁），将制备好的传感器紧密贴附于志愿者湿润的皮肤上。在信号稳定后，志愿者按指令摄入含糖食物（甜点和饮料）并进行运动（深蹲）以刺激出汗和血糖波动。同时，使用商业血糖仪（VGMO1）进行指尖采血，获取离散的血糖数据点作为参照。实时记录的传感器电流密度变化曲线显示：摄入糖分后约10-15分钟，电流密度开始下降（对应汗液葡萄糖升高），并在运动期间由于肌肉摄取葡萄糖，电流密度出现回升。第二次摄入糖分后，电流密度再次下降。传感器获得的汗液葡萄糖变化趋势与商用血糖仪测得的血糖变化趋势高度吻合。这初步证明了该传感器可用于定性、实时监测人体汗液葡萄糖的动态变化，并与血糖变化存在相关性。

四、 主要研究结果及其逻辑关联

1. 成功制备了均匀复合的ZnO四脚体/MXene纳米材料。 表征数据（SEM, TEM, XPS, Raman）证实了MXene纳米片成功、均匀地修饰在ZnO四脚体表面，两者之间存在强烈的静电和化学相互作用。价带XPS分析表明复合后材料费米能级附近的电子态密度发生变化，预示着导电性和催化活性的提升。这一结果为构建高性能传感器奠定了基础。
2. ZnO/MXene复合材料显著提升了传感器的电化学性能。 电化学测试结果表明，与单一材料传感器相比，复合传感器具有更快的电子转移速率（ks值最高）、更低的电荷转移电阻。这直接归因于MXene的高导电性为ZnO提供了高效的电子传输通路，而ZnO的高比表面积为MXene和酶的负载提供了充足位点，两者协同作用优化了电极的导电网络和催化界面。
3. 传感器在PBS和人工汗液中表现出优异的检测性能。 ZnO/MXene/GOx传感器实现了高灵敏度（~29 μA mM⁻¹ cm⁻²）、低检测限（~17-21 μM）、宽线性范围（0.05-0.7 mM）和高选择性。这些性能参数优于或媲于许多已报道的皮肤贴附或丝网印刷葡萄糖传感器。性能的提升直接源于前述材料复合带来的电化学优势。
4. 传感器具备出色的机械稳定性和操作稳定性。 拉伸测试证明传感器可承受高达30%的应变而不影响检测性能，这得益于柔性基底和纳米复合材料本身的韧性。长期稳定性测试表明传感器在10天内性能衰减很小，满足短期连续监测的需求。这些特性是其实用化的关键。
5. 初步人体实验验证了其用于汗液葡萄糖定性监测的可行性。 在体实验结果显示，传感器能实时、动态地响应由饮食和运动引起的汗液葡萄糖水平变化，且该变化趋势与同步测量的血糖趋势具有良好的一致性。这强有力地证明了本研究开发的传感器不仅是一个实验室的高性能器件，更是一个有潜力应用于实际健康监测的“概念验证”原型。

这些结果层层递进：材料设计与合成是基础，其优异特性转化为传感器的核心电化学性能；优越的电化学性能确保了在复杂介质（汗液）中的准确检测能力；良好的机械与长期稳定性保障了其作为可穿戴设备的可靠性；最终，人体实验的成功将所有这些优势整合，验证了其实际应用价值。

五、 研究结论与价值

本研究成功开发并验证了一种基于ZnO四脚体/MXene纳米复合材料的新型皮肤贴附式可拉伸酶促电化学葡萄糖传感器。该传感器集成了高比表面积ZnO的催化优势与MXene的高导电性，在人工汗液中表现出高灵敏度、低检测限、高选择性和良好的机械稳定性。更重要的是，初步的人体实验表明，该传感器能够实时、定性监测汗液葡萄糖的动态变化，其趋势与血液葡萄糖变化相关。

科学价值： 本研究为设计高性能可穿戴电化学生物传感器提供了一种有效的材料复合策略（即利用2D导电材料修饰3D半导体纳米结构）。深入的材料表征（特别是价带XPS分析）为理解此类复合材料界面电子结构调制与性能提升之间的关系提供了见解。同时，研究系统展示了一条从材料合成、器件制备、性能优化到最终在体验证的完整技术开发路径。

应用价值： 该传感器为实现无创、连续、舒适的葡萄糖监测提供了一种有前景的解决方案。它有望帮助糖尿病患者更好地管理血糖，避免严重并发症，并为研究人体葡萄糖代谢动力学（如餐后、运动期间）提供新的工具。虽然目前主要用于定性监测，但其优异的性能为未来开发定量、校准的汗液葡萄糖监测设备奠定了坚实的技术基础。

六、 研究亮点

1. 材料创新： 首次报道了用MXene纳米片装饰ZnO四脚体（而非相反）来构建复合材料，用于葡萄糖传感。这种“高比表面积3D骨架+高导电性2D涂层”的设计思路新颖且有效。
2. 性能卓越： 传感器在汗液环境下的综合性能（灵敏度、检测限、选择性、机械稳定性）突出，处于同类研究的先进水平。
3. 系统性验证： 研究不仅停留在实验室性能测试，还进行了关键的在体人体实验，初步证明了其实际应用的可行性，完成了从“材料”到“器件”再到“初步应用”的闭环验证。
4. 机制深入： 通过多种先进表征手段（如价带XPS）深入探究了材料复合引起的电子结构变化，将宏观性能提升与微观电子特性关联起来，增强了研究的科学深度。

七、 其他有价值内容

研究还提供了详细的补充信息（支持信息），包括不同覆盖率对比图、电极示意图、EIS图谱、CV曲线、重现性数据以及第二位志愿者的测试结果，这些内容增强了研究的透明度和可靠性。此外，论文将本研究传感器的性能与近期报道的其他可拉伸葡萄糖传感器进行了对比，凸显了其优势。研究也坦诚指出了当前汗液葡萄糖监测领域面临的挑战（如与血糖的定量相关性尚不明确），并指出本传感器主要用于定性指示血糖变化趋势，这体现了科学的严谨性。