不同碳同素异形体对电化学葡萄糖检测的影响

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Effect of different carbon allotropes for electrochemical glucose detection

　　

摘要：即时检测（PoC）血糖传感器技术的普及对有效的糖尿病管理至关重要。在此背景下，研究人员提出了一种新型电化学生物传感平台，该平台将多种碳同素异形体——生物石墨烯（BGr）、氧化锌（ZnO）修饰的多壁碳纳米管（MWCNT-ZnO）和生物源碳点（CDs）——整合到聚苯胺（PANI）基基质中用于葡萄糖检测。传感层通过在丝网印刷金电极（Au-SPE）表面，在单个碳同素异形体和葡萄糖氧化酶（GOx）存在下电聚合苯胺制备而成。传感器的分析性能通过计时安培法（CA）在磷酸盐缓冲盐水（PBS）和加标人血清中进行评估。碳同素异形体的形貌和化学成分通过使用扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）进行表征。在测试的传感器中，基于碳点（CD）的传感器表现出最佳的分析性能，检测限（LOD）为1.08 mmol/L，灵敏度为每十倍葡萄糖浓度0.453 μA。其线性工作范围为1.56至75.0 mmol/L，涵盖了健康个体和糖尿病患者典型的生理葡萄糖浓度范围。本研究旨在利用果糖衍生的碳点和PANI改进酶促葡萄糖生物传感器，以增强酶固定化、电子转移和灵敏度，同时保持低成本和可持续性，为个性化健康监测和长期慢性病管理中的应用提供强大潜力。

论文解读：不同碳同素异形体对电化学葡萄糖检测的影响

研究背景与意义

糖尿病是一种以持续性空腹血糖升高为特征的慢性代谢障碍，全球患病人数持续攀升。目前糖尿病的诊断与监测主要依赖实验室检测，而即时检测（PoC）电化学生物传感器因精确、选择性好、快速及成本可控成为糖尿病管理的重要工具。传统商用设备多基于葡萄糖氧化酶（GOx）的安培检测，但仍面临GOx活性中心深埋导致直接电子转移（DET）效率低、酶稳定性差、电活性物质干扰、生物污损及纳米结构电极批次差异等挑战。

为突破上述瓶颈，研究人员引入碳基纳米材料（石墨烯、碳纳米管、碳点等）提升电子传递与酶固载效率。然而，传统碳同素异形体常因团聚、堆叠及高能耗制备受限。本研究选取生物石墨烯（BGr）、ZnO修饰多壁碳纳米管（MWCNT-ZnO）、羧基化多壁碳纳米管（MWCNT-COOH）及生物源碳点（CDs，以果糖为前体），将其嵌入聚苯胺（PANI）基质，在丝网印刷金电极（Au-SPE）上电聚合构建酶电极，系统比较不同碳同素异形体对葡萄糖检测性能的影响，并验证其在人血清中的适用性。该工作发表于《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》。

主要关键技术方法

研究人员以Au-SPE为基底，先在0.5 mol/L H₂SO₄中循环伏安活化；随后在含GOx、苯胺（10.0 mmol/L）及不同碳材料（BGr、MWCNT-ZnO、MWCNT-COOH、CDs）的PBS混合液中，于?0.2 V至0.8 V循环5圈电聚合PANI，将酶与纳米材料共同包埋。碳点由果糖与硫酸锰经微波辅助水热法制备；BGr由石墨在牛血清白蛋白（BSA）辅助下剪切剥离；MWCNT-ZnO由乙醇锌溶胶-凝胶法结合MWCNT分散制得。材料经TEM、SEM、XPS、FTIR表征。电化学性能采用循环伏安（CV）与计时安培（CA，+0.6 V）在PBS及Cormay人血清（10倍、100倍稀释）中测试，葡萄糖加标浓度0.19–100.0 mmol/L，并以尿酸、抗坏血酸、肌酐、尿素为干扰物评估选择性，检测限（LOD）基于空白标准偏差与半对数校准斜率计算。

研究结果

Morphological characterization of materials（材料形貌表征）

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  Transmission electron microscopy (TEM) analysis（透射电镜分析）
  TEM显示MWCNT-ZnO为管状网络附生ZnO暗域颗粒；MWCNT-COOH为均匀缠绕管束；BGr呈片层/少层石墨烯皱褶；CDs为几纳米均一暗斑。表明各材料成功制备且形貌各异。
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  Scanning electron microscope (SEM) analysis（扫描电镜分析）
  裸Au-SPE表面较平滑多孔；PANI@MWCNT-ZnO与PANI@MWCNT-COOH呈粗糙纳米管/颗粒复合形貌；PANI@BGr为层状片层；PANI@CD为聚合物基质中弥散纳米球。复合膜均增大了比表面积与活性位点。
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  X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)（X射线光电子能谱）
  XPS全谱可见C 1s、N 1s、O 1s及PANI@MWCNT-ZnO特有的Zn 2p峰。原子百分比显示PANI@CD氧含量最高（19.6 at%），C/N比13.6；PANI@BGr氧17.8 at%，C/N 12.6；MWCNT体系氧~17 at%，C/N 11.7–12.4。说明CD与BGr引入更多含氧基团，利于酶固载与电子转移。

Performance of the GOx towards glucose oxidation（GOx对葡萄糖氧化的催化性能）

在PBS与5.0 mmol/L葡萄糖中扫CV（?0.1至+0.8 V）。所有PANI@碳复合材料在加糖后氧化电流上升：PANI@CD电流增幅最大，PANI@MWCNT-ZnO与PANI@BGr次之，PANI@MWCNT-COOH较弱。表明CD复合界面最具催化活性，GOx保持活性且电子转移更高效。

Analytical response of the electrochemical biosensor（电化学生物传感器分析响应）

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  Calibration in buffer for different allotropes of carbon-based composites（缓冲液中不同碳基复合物的校准）
  以CA（+0.6 V，180 s）测PBS中葡萄糖响应，电流对log(浓度)拟合。
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    纯PANI：斜率0.081 μA/log，R²=0.982，线性1.56–50.0 mmol/L，LOD 1.65 mmol/L。
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    PANI@MWCNT-COOH：斜率0.091 μA/log，ULLR扩至100.0 mmol/L，LLLR 3.13 mmol/L，LOD 2.04 mmol/L。
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    PANI@MWCNT-ZnO：斜率0.057 μA/log，R²=0.993，LLLR 3.13 mmol/L，ULLR 50.0 mmol/L，LOD 2.67 mmol/L。
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    PANI@BGr：斜率0.051 μA/log，R²=0.999，LLLR 3.13 mmol/L，ULLR 25.0 mmol/L，LOD 3.04 mmol/L。
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    PANI@CD：斜率0.299 μA/log，R²=0.978，LLLR 1.56 mmol/L，ULLR 75.0 mmol/L，LOD 1.08 mmol/L。
    综上，PANI@CD灵敏度最高且线性范围覆盖生理至高血糖区间；PANI@MWCNT-COOH线性上限最宽。
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  Effect of the amount of CD in the analytical performance（CD用量对分析性能的影响）
  优化CD稀释度：5倍、10倍、20倍稀释。10倍稀释（200 μL）最优：斜率0.299 μA/log，R²=0.978，LLLR 1.56 mmol/L，LOD 1.08 mmol/L，ULLR 75.0 mmol/L。
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  Calibration in serum（血清中校准）
  在10倍与100倍稀释Cormay人血清中测PANI@CD（10倍稀释CD）。100倍稀释血清斜率升至0.462 μA/log，10倍稀释为0.178 μA/log；LLLR均为1.56 mmol/L，LOD 1.08 mmol/L。复杂血清基质中蛋白/离子相互作用可提升响应，且更高稀释度下干扰降低、灵敏度更高。
  选择性测试：5.0 mmol/L葡萄糖中分别加入尿酸（0.416 mmol/L）、抗坏血酸（0.085 mmol/L）、肌酐（0.115 mmol/L）、尿素（6.662 mmol/L）。相对葡萄糖单底物信号，分别剩余94%、84%、85%、89%。抗坏血酸与肌酐干扰略大，但总体维持>84%响应，显示较好选择性。

讨论与结论（翻译总结）

研究人员开发了一种将PANI与BGr、MWCNT-COOH、MWCNT-ZnO及CDs整合的通用高性能电化学葡萄糖生物传感器平台。各复合物具独特结构与电化学特性。其中PANI@CD表现最优：缓冲液中斜率0.299 μA/log，血清中达0.462 μA/log，线性下限1.56 mmol/L，LOD 1.08 mmol/L，性能可比商用设备。

关键创新在于使用果糖与硫酸锰经简便低耗微波法合成生物源CDs。XPS证实其富氧表面（–OH、–COOH），提升酶固载与电子转移。CDs兼具生物相容性、绿色合成与可扩展性，适合可持续临床传感器。PANI@CD中CD充当电子桥，降低电荷转移电阻，加速葡萄糖氧化。

综上，该研究不仅确定碳点为所考察碳同素异形体中最优修饰剂，也凸显了生物源纳米材料在构建灵敏、选择性好、可持续的下一代酶生物传感器中的广阔前景，为临床诊断与个人化医疗的实时葡萄糖监测提供了新平台。