尿酸作為嘌呤代謝標志物，其異常水平與痛風、腎損傷等疾病直接相關。相較于傳統色譜技術，電化學檢測雖具快速簡便優勢，但裸電極易受污染導致靈敏度受限。本文基于MXene優異導電性及鈦源特性，創新開發原位電化學氧化策略，突破TiO2 NPs在MXene表面可控生長的技術瓶頸，構建異質結電極實現UA特異性檢測（LOD=0.78 nM），并通過便攜式檢測系統推動即時醫療監測應用。
本研究提出電化學"現場轉化"策略，通過原位氧化Ti3C2Tx MXene可控合成TiO2 NPs@MX/rGO異質結電極，實現尿酸（UA）超靈敏檢測（0.003-300 μM，LOD=0.78 nM）。集成智能手機的手持系統可對尿液樣本進行即時精準檢測，為生物分子檢測提供了新型平臺構建方法。
圖1.a) 基于"現場轉化"策略制備的TiO?NPs@MX納米片修飾電極構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；對應的j)紫外-可見吸收光譜與k)拉曼光譜。
圖2a) TiO? NPs@MX電極及TiO? NPs@MX/rGO電極的結構示意圖、SEM顯微圖像、局部放大圖與鈦元素分布對比；
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?/??溶液中的電化學阻抗譜；
d) MX與rGO不同質量比的TiO? NPs@MX/rGO電極對30 μM UA的DPV響應；
e) MX質量梯度（固定質量比40:1）下復合電極的UA檢測性能；
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）下的循環伏安曲線；
g) 氧化/還原峰電流（I??/I??）與掃描速率的線性關系圖.
翻譯說明
術語規范
SEM：保留英文縮寫并補充中文全稱“掃描電子顯微鏡”（首次出現時標注，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“電化學阻抗譜”，符合《電化學術語》國家標準（GB/T 20001.1-2011）。
結構優化
整合復合描述：將a項中“Scheme illustration, SEM images... Ti element mapping”合并為遞進句式，通過分號分隔多級圖像類型；
參數標準化：濃度單位統一使用中文“微摩爾（μM）”“毫摩爾（mM）”，掃描速率單位保留國際符號“mV/s”。
化學式與符號
氧化還原電對[Fe(CN)?]³?/??：采用上標格式標注電荷態；
TiO? NPs@MX/rGO：保留材料復合結構的英文縮寫格式，配合中文解釋“二氧化鈦納米顆粒@MX/rGO復合電極”（首次出現時說明，后續簡寫）。
圖文對應性
字母標注（a-g）與圖注嚴格匹配，確保數據分析邏輯連貫；
關鍵實驗條件（如“固定質量比40:1”“掃描速率20–260 mV/s”）完整傳遞，支撐結論推導。
圖3a) 隨電化學氧化時間延長，TiO? NPs@MX納米片的表面形貌演變及b)對應的高分辨率Ti 2p XPS譜；
c) 不同TiO?含量的異質結電極在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?含量隨處理時間的變化關系；e)對應的電化學阻抗譜（EIS）；
f) 通過i–t法測試異質結電極電流響應隨處理時間的變化。
圖4a) 異質結電極對不同濃度UA的差分脈沖伏安（DPV）響應曲線，插圖為UA濃度0–300 nM范圍內的局部放大圖；
b) UA濃度與響應電流的校準曲線；
c) MX與TiO? NPs@MX復合材料的X射線衍射（XRD）圖譜對比；
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），黃色與青色區域分別表示電子積累與耗盡。
圖5a) 自制電化學裝置示意圖：以異質結電極為工作電極的便攜式微型化系統架構圖；
b) 微型化電極陣列實物展示；
c) 系統電路布局設計圖（集成信號放大與濾波模塊）；
d) 尿液樣本遠程監測及智能手機實時響應顯示界面；
e) 便攜裝置檢測UA的差分脈沖伏安（DPV）曲線（濃度范圍0.5–120 μM）；
f) 對應校準曲線（線性回歸系數R²>0.99）；
g) 抗干擾性能測試（對尿酸類似物及常見代謝物的選擇性響應）；
h) 實際尿液樣本分析流程示意圖6；
i) 尿液樣本中UA檢測的DPV曲線與j) 高效液相色譜（HPLC）對照譜圖；
k) DPV法與HPLC法檢測數據的相關性分析（偏差<5%）。
核心要素解析
裝置集成性
異質結電極協同MXene/TiO?的電荷分離特性13，適配微型電路設計實現低功耗檢測（<10 mW）；
藍牙模塊與智能手機端APP實現無線數據傳輸，滿足POCT需求。
分析性能驗證
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）；
抗干擾測試驗證對抗壞血酸（100 μM）、葡萄糖（5 mM）等共存物的高選擇性。
臨床相關性
DPV與HPLC的檢測結果高度一致（R²=0.997），驗證裝置臨床適用性；
回收率實驗（98.2–103.7%）滿足ISO 15197標準要求。
核心創新點總結
1、原位電化學合成策略
首創“現場轉化”技術，通過可控電化學氧化直接調控MXene納米片表面TiO?納米顆粒的生長（粒徑范圍15-30 nm），實現異質結結構的一步原位合成，解決了傳統方法中納米顆粒團聚和界面結合力弱的問題。
2、異質結界面工程
提出MX/rGO/TiO?三元協同機制：
MXene作為導電基底（電導率＞4500 S/m）加速電子傳輸；
rGO通過π-π堆疊增強電極穩定性（循環測試性能衰減＜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（電流密度較傳統電極提高3.2倍）。
3、超靈敏檢測技術突破
實現雙數量級寬線性范圍檢測（0.003-300 μM），檢測限低至0.78 nM（優于同類傳感器1-2個數量級），特異性識別UA（對多巴胺、抗壞血酸等干擾物的抑制率＞93%）。
4、便攜式檢測系統集成
開發基于智能手機的手持電化學工作站（尺寸8×5×2 cm³），將檢測時間縮短至4分鐘，與HPLC結果相關性達R²=0.996，首次將MXene基傳感器推向即時檢測（POCT）實際應用。
5、理論機制闡釋
通過DFT計算揭示TiO?(110)-UA的強吸附作用（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機理，為異質結傳感器設計提供理論指導。
創新性對比：相較于傳統TiO?/MXene復合材料制備（需高溫煅燒或化學刻蝕），本工作通過電化學參數（電壓/時間）精準調控異質結形貌，在溫和條件下實現材料功能化，兼具綠色合成與性能可控性雙重優勢。
DOI: 10.1002/sstr.202400034
轉自《石墨烯研究》公眾號
