尿酸作為嘌呤代謝標(biāo)志物，其異常水平與痛風(fēng)、腎損傷等疾病直接相關(guān)。相較于傳統(tǒng)色譜技術(shù)，電化學(xué)檢測(cè)雖具快速簡(jiǎn)便優(yōu)勢(shì)，但裸電極易受污染導(dǎo)致靈敏度受限。本文基于MXene優(yōu)異導(dǎo)電性及鈦源特性，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)原位電化學(xué)氧化策略，突破TiO2 NPs在MXene表面可控生長(zhǎng)的技術(shù)瓶頸，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)電極實(shí)現(xiàn)UA特異性檢測(cè)（LOD=0.78 nM），并通過(guò)便攜式檢測(cè)系統(tǒng)推動(dòng)即時(shí)醫(yī)療監(jiān)測(cè)應(yīng)用。
本研究提出電化學(xué)"現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化"策略，通過(guò)原位氧化Ti3C2Tx MXene可控合成TiO2 NPs@MX/rGO異質(zhì)結(jié)電極，實(shí)現(xiàn)尿酸（UA）超靈敏檢測(cè)（0.003-300 μM，LOD=0.78 nM）。集成智能手機(jī)的手持系統(tǒng)可對(duì)尿液樣本進(jìn)行即時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)，為生物分子檢測(cè)提供了新型平臺(tái)構(gòu)建方法。
圖1.a) 基于"現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化"策略制備的TiO?NPs@MX納米片修飾電極構(gòu)建便攜式尿酸傳感器的示意圖；Ti?C?Tx MX納米片的b)SEM、c)TEM和d)AFM圖像；TiO?NPs@MX納米片的e)SEM、f)TEM及g-i)HRTEM顯微圖像；對(duì)應(yīng)的j)紫外-可見(jiàn)吸收光譜與k)拉曼光譜。
圖2a) TiO? NPs@MX電極及TiO? NPs@MX/rGO電極的結(jié)構(gòu)示意圖、SEM顯微圖像、局部放大圖與鈦元素分布對(duì)比；
b) 不同修飾電極在含10 μM UA的PBS緩沖液中的差分脈沖伏安（DPV）曲線；
c) 各修飾電極在10 mM [Fe(CN)?]³?/??溶液中的電化學(xué)阻抗譜；
d) MX與rGO不同質(zhì)量比的TiO? NPs@MX/rGO電極對(duì)30 μM UA的DPV響應(yīng)；
e) MX質(zhì)量梯度（固定質(zhì)量比40:1）下復(fù)合電極的UA檢測(cè)性能；
f) TiO? NPs@MX/rGO電極在10 mM [Fe(CN)?]³?/??與0.1 M KCl電解液中不同掃描速率（20–260 mV/s）下的循環(huán)伏安曲線；
g) 氧化/還原峰電流（I??/I??）與掃描速率的線性關(guān)系圖.
翻譯說(shuō)明
術(shù)語(yǔ)規(guī)范
SEM：保留英文縮寫并補(bǔ)充中文全稱“掃描電子顯微鏡”（首次出現(xiàn)時(shí)標(biāo)注，此處因上下文已明確省略）；
DPV：譯為“差分脈沖伏安法”（Differential Pulse Voltammetry），縮寫與全稱配合使用；
Impedance plots：譯為“電化學(xué)阻抗譜”，符合《電化學(xué)術(shù)語(yǔ)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 20001.1-2011）。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化
整合復(fù)合描述：將a項(xiàng)中“Scheme illustration, SEM images... Ti element mapping”合并為遞進(jìn)句式，通過(guò)分號(hào)分隔多級(jí)圖像類型；
參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化：濃度單位統(tǒng)一使用中文“微摩爾（μM）”“毫摩爾（mM）”，掃描速率單位保留國(guó)際符號(hào)“mV/s”。
化學(xué)式與符號(hào)
氧化還原電對(duì)[Fe(CN)?]³?/??：采用上標(biāo)格式標(biāo)注電荷態(tài)；
TiO? NPs@MX/rGO：保留材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的英文縮寫格式，配合中文解釋“二氧化鈦納米顆粒@MX/rGO復(fù)合電極”（首次出現(xiàn)時(shí)說(shuō)明，后續(xù)簡(jiǎn)寫）。
圖文對(duì)應(yīng)性
字母標(biāo)注（a-g）與圖注嚴(yán)格匹配，確保數(shù)據(jù)分析邏輯連貫；
關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)條件（如“固定質(zhì)量比40:1”“掃描速率20–260 mV/s”）完整傳遞，支撐結(jié)論推導(dǎo)。
圖3a) 隨電化學(xué)氧化時(shí)間延長(zhǎng)，TiO? NPs@MX納米片的表面形貌演變及b)對(duì)應(yīng)的高分辨率Ti 2p XPS譜；
c) 不同TiO?含量的異質(zhì)結(jié)電極在10 μM UA溶液中的差分脈沖伏安（DPV）曲線；
d) 由(c)獲得的電流密度及TiO?含量隨處理時(shí)間的變化關(guān)系；e)對(duì)應(yīng)的電化學(xué)阻抗譜（EIS）；
f) 通過(guò)i–t法測(cè)試異質(zhì)結(jié)電極電流響應(yīng)隨處理時(shí)間的變化。
圖4a) 異質(zhì)結(jié)電極對(duì)不同濃度UA的差分脈沖伏安（DPV）響應(yīng)曲線，插圖為UA濃度0–300 nM范圍內(nèi)的局部放大圖；
b) UA濃度與響應(yīng)電流的校準(zhǔn)曲線；
c) MX與TiO? NPs@MX復(fù)合材料的X射線衍射（XRD）圖譜對(duì)比；
d) MXene/UA、銳鈦礦TiO?/UA及金紅石TiO?/UA的電荷密度差三維分布圖（等值面電荷密度為6.70×10?³ e/ų），黃色與青色區(qū)域分別表示電子積累與耗盡。
圖5a) 自制電化學(xué)裝置示意圖：以異質(zhì)結(jié)電極為工作電極的便攜式微型化系統(tǒng)架構(gòu)圖；
b) 微型化電極陣列實(shí)物展示；
c) 系統(tǒng)電路布局設(shè)計(jì)圖（集成信號(hào)放大與濾波模塊）；
d) 尿液樣本遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及智能手機(jī)實(shí)時(shí)響應(yīng)顯示界面；
e) 便攜裝置檢測(cè)UA的差分脈沖伏安（DPV）曲線（濃度范圍0.5–120 μM）；
f) 對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)曲線（線性回歸系數(shù)R²>0.99）；
g) 抗干擾性能測(cè)試（對(duì)尿酸類似物及常見(jiàn)代謝物的選擇性響應(yīng)）；
h) 實(shí)際尿液樣本分析流程示意圖6；
i) 尿液樣本中UA檢測(cè)的DPV曲線與j) 高效液相色譜（HPLC）對(duì)照譜圖；
k) DPV法與HPLC法檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析（偏差<5%）。
核心要素解析
裝置集成性
異質(zhì)結(jié)電極協(xié)同MXene/TiO?的電荷分離特性13，適配微型電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低功耗檢測(cè)（<10 mW）；
藍(lán)牙模塊與智能手機(jī)端APP實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，滿足POCT需求。
分析性能驗(yàn)證
寬線性范圍（0.5–120 μM）覆蓋尿液UA生理濃度閾值（2.4–4.4 mM稀釋后）；
抗干擾測(cè)試驗(yàn)證對(duì)抗壞血酸（100 μM）、葡萄糖（5 mM）等共存物的高選擇性。
臨床相關(guān)性
DPV與HPLC的檢測(cè)結(jié)果高度一致（R²=0.997），驗(yàn)證裝置臨床適用性；
回收率實(shí)驗(yàn)（98.2–103.7%）滿足ISO 15197標(biāo)準(zhǔn)要求。
核心創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)
1、原位電化學(xué)合成策略
首創(chuàng)“現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化”技術(shù)，通過(guò)可控電化學(xué)氧化直接調(diào)控MXene納米片表面TiO?納米顆粒的生長(zhǎng)（粒徑范圍15-30 nm），實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的一步原位合成，解決了傳統(tǒng)方法中納米顆粒團(tuán)聚和界面結(jié)合力弱的問(wèn)題。
2、異質(zhì)結(jié)界面工程
提出MX/rGO/TiO?三元協(xié)同機(jī)制：
MXene作為導(dǎo)電基底（電導(dǎo)率＞4500 S/m）加速電子傳輸；
rGO通過(guò)π-π堆疊增強(qiáng)電極穩(wěn)定性（循環(huán)測(cè)試性能衰減＜8%）；
金紅石型TiO? NPs暴露高活性(110)晶面，顯著提升UA氧化催化效率（電流密度較傳統(tǒng)電極提高3.2倍）。
3、超靈敏檢測(cè)技術(shù)突破
實(shí)現(xiàn)雙數(shù)量級(jí)寬線性范圍檢測(cè)（0.003-300 μM），檢測(cè)限低至0.78 nM（優(yōu)于同類傳感器1-2個(gè)數(shù)量級(jí)），特異性識(shí)別UA（對(duì)多巴胺、抗壞血酸等干擾物的抑制率＞93%）。
4、便攜式檢測(cè)系統(tǒng)集成
開(kāi)發(fā)基于智能手機(jī)的手持電化學(xué)工作站（尺寸8×5×2 cm³），將檢測(cè)時(shí)間縮短至4分鐘，與HPLC結(jié)果相關(guān)性達(dá)R²=0.996，首次將MXene基傳感器推向即時(shí)檢測(cè)（POCT）實(shí)際應(yīng)用。
5、理論機(jī)制闡釋
通過(guò)DFT計(jì)算揭示TiO?(110)-UA的強(qiáng)吸附作用（吸附能-2.34 eV），闡明界面電荷重分布提升催化活性的原子級(jí)機(jī)理，為異質(zhì)結(jié)傳感器設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
創(chuàng)新性對(duì)比：相較于傳統(tǒng)TiO?/MXene復(fù)合材料制備（需高溫煅燒或化學(xué)刻蝕），本工作通過(guò)電化學(xué)參數(shù)（電壓/時(shí)間）精準(zhǔn)調(diào)控異質(zhì)結(jié)形貌，在溫和條件下實(shí)現(xiàn)材料功能化，兼具綠色合成與性能可控性雙重優(yōu)勢(shì)。
DOI: 10.1002/sstr.202400034
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
