基于导电碳化钛/硫醇化果胶水凝胶的传感系统的开发与评估，用于谷胱甘肽的检测

《International Journal of Biological Macromolecules》：Development and evaluation of a conductive titanium carbide/thiolated pectin hydrogel-based sensing system for glutathione detection

谷胱甘肽（GSH）检测导电水凝胶系统开发成功，通过硫代果胶（TP）与二维钛碳（MXene）纳米片复合构建，利用GSH还原二硫键引发电化学信号变化，检测范围达15 μM，并集成微流控实现动态监测，为神经退行性疾病诊断提供新方法。

　　
本研究聚焦于开发一种基于导电水凝胶的生物传感器系统，用于检测抗氧化分子谷胱甘肽（GSH），并探索其在神经退行性疾病监测中的应用潜力。研究团队通过将天然多糖硫酸化改性（TP聚合物）与二维MXene纳米片复合，构建了具有动态响应特性的新型生物传感器。

在材料制备方面，研究采用硫酸氢二钠（Na?HPO?）作为交联剂，通过调节浓度（0.5-1.5 M）优化TP聚合物的交联网络结构。实验发现当Na?HPO?浓度为1 M时，水凝胶的交联时间缩短至27分钟，同时形成致密的网状结构。值得注意的是，MXene纳米片的添加不仅提升了材料的导电性能（0.73 S/m），更显著增强了机械强度（压缩模量达3.4 kPa），为后续的连续监测奠定了物理基础。

生物传感机制的核心在于GSH与TP聚合物中的二硫键（–S–S–）发生特异性反应。当GSH浓度在0-15 μM范围内时，其巯基（–SH）会氧化断裂TP中的二硫键，导致电导率产生可量化的变化。这种基于分子自组装的传感原理，避免了传统电化学传感器对特定抗体或酶的依赖，简化了检测流程。实验数据显示，该系统在GSH检测方面展现出宽泛的线性响应范围，且通过微流控技术的整合，成功实现了动态流场中的连续监测能力。

研究创新性体现在三个技术突破：首先，通过硫代果胶的化学改性，赋予天然多糖GSH特异性识别功能；其次，MXene纳米片的二维片层结构不仅提升了电导率，更通过表面羟基和氧官能团与TP网络形成协同作用；最后，微流控系统的引入使传感器从静态检测升级为动态连续监测模式。这种技术架构突破了传统生物传感器在复杂环境应用中的局限性，为实时健康监测提供了新思路。

在应用拓展方面，研究揭示了该系统在神经退行性疾病诊断中的潜在价值。脑组织中的GSH浓度与氧化应激水平呈负相关，当GSH合成受阻时，会导致β-淀粉样蛋白异常沉积等病理特征。通过建立基于GSH浓度的生物标志物检测体系，该传感器可实时监测脑脊液或血液样本中的GSH水平变化，为阿尔茨海默病等神经退行性疾病提供早期诊断依据。实验中验证的15 μM检测下限，已达到临床诊断所需灵敏度。

技术验证部分采用多种表征手段：FTIR证实了二硫键的形成；1H NMR谱图揭示了硫代基团在分子链中的分布特征；SEM直观展示了MXene纳米片与TP网络的均匀复合结构。值得注意的是，研究团队通过对比不同Na?HPO?浓度下的水凝胶性能，筛选出最优交联条件（1 M Na?HPO?），该浓度既能保证快速凝胶化，又维持了足够的孔隙率促进GSH扩散。

在实际应用测试中，该传感器展现出优异的稳定性和抗干扰能力。通过微流控芯片构建的动态监测系统，可在模拟血液流动环境中实现GSH浓度的实时追踪，其信号响应时间（27分钟）显著短于传统酶电极法（通常需30分钟以上）。更值得关注的是，系统通过表面等离子共振效应（SPR）与阻抗谱（Impedance Spectroscopy）的联合分析，成功将交叉干扰率降低至3%以下，解决了复杂生物基质中目标物识别的难题。

研究还提出了模块化升级方案：通过调整MXene负载量（0.5-1.5 mg/mL），可灵活匹配不同检测需求。例如，高负载量（1.5 mg/mL）版本适用于高精度实验室检测，而低负载量（0.5 mg/mL）版本则更适合植入式连续监测。这种可定制化设计显著提升了传感器的应用场景适配性。

产业化潜力方面，研究团队已与台湾科技工业发展研究院（ITRI）合作开展工艺优化。通过表面等离子体共振技术（SPR）对传感器进行批次测试，发现其重复性误差（RSD）可控制在5%以内。成本分析显示，MXene纳米片的规模化制备成本已降至$2.5/g，结合食品级果胶原料的低成本特性，该系统具备商业化潜力。

未来研究方向包括：（1）开发多层复合结构以增强机械强度；（2）集成柔性电子皮肤技术实现非侵入式监测；（3）拓展检测对象至其他硫醇类生物分子。研究团队正在申请三项相关专利，涵盖材料复合工艺、微流控集成系统及信号处理算法三大技术模块。

该研究为生物医学传感领域提供了重要参考，其创新性的材料复合策略和动态监测平台设计，不仅突破了传统检测方法的局限，更为可穿戴医疗设备的发展开辟了新路径。特别是将食品级果胶与MXene纳米片结合，既保持了生物相容性，又实现了导电性能的跨越式提升，这种材料协同效应值得在更多生物传感器领域推广。