高性能葡萄糖生物传感器：通过汗液无创检测人体内的葡萄糖浓度

糖尿病是全球主要的死亡和残疾原因之一。据最新研究预测，到2050年，全球糖尿病的年龄标准化患病率将影响约13.1亿人。血糖监测是糖尿病诊断和治疗的关键环节，而汗液血糖监测在临床筛查糖尿病方面展现出巨大潜力。

郭毅温团队采用动态氢气泡模板法在商业电极上原位电沉积了具有多孔结构的Pt–Pd双金属材料, 获得了良好的粘附性和可控制性，并通过在多孔Pt–Pd双金属上固定葡萄糖氧化酶 （GO_x）制备了基于Pt-Pd双金属的汗液葡萄糖生物传感器。结果表明：通过优化沉积参数和调节铂钯比例，该传感器具有50–300 μM的线性检测范围、高灵敏度（112 μA·mM⁻¹·cm⁻²）、出色的抗干扰能力、可重复性及超过21天的长期稳定性等优点。该团队的研究表明动态氢气泡模板法有望成为一种非常实用的高性能葡萄糖生物传感器制备方法。

研究思路：

电催化活性是汗液无创检测葡萄糖生物传感器的核心要素。为了提升其性能，采用多孔贵金属对工作电极进行改性。相较于单一贵金属，二元合金因其协同效应和电子效应，通常能带来更出色的电化学性能。目前，多种贵金属双金属电极，如Pd-Au、Au-Pt和Pt-Pd，已被用于构建葡萄糖传感的微/纳米结构。其中，Pt-Pd合金因其卓越的电化学稳定性和强大的催化活性备受关注。同时，从实用角度出发，多孔催化剂在工作电极上的原位生长具有诸多优势，如稳定的附着力、自支撑结构、对微观结构和形态的精确控制，以及增强的稳定性和可重复性。

动态氢气泡模板（DHBT）方法是电沉积技术中的重要手段之一，能够以清洁高效的方式将材料沉积到具有高比表面积和可控形态的导电基底上。该方法已被广泛应用于催化、传感和能源等多个领域。在本研究中，研究者利用DHBT方法合成了多孔Pt-Pd双金属结构，以修饰市售的金丝网印刷电极（Au-SPE），并将葡萄糖氧化酶（GOx）固定在其上，构建了无创检测葡萄糖生物传感器。

图 1 基于Pt-Pd的葡萄糖生物传感器制造过程及不同比例的Pt-Pd样品多孔结构

对于多孔Pt-Pd双金属结构的制备：选择市售的Au-SPE作为Pt-Pd沉积的工作电极，K₂PtCl₄和K₂PdCl₄作为前体。沉积电压和时间分别设置为-2V和150s。有关不同沉积电位、沉积时间和沉积浓度的更详细形态如图1所示。溶液中Pt-Pd的母离子比值为Pt（2x）：Pd（8-2x），x =0，1，2，3，4。相应的沉积样品分别命名为 Pt、Pt2Pd6、Pt4Pd4、Pt6Pd2和Pd。作为参考，还沉积了纯Pt和Pd。根据实验条件进一步分析，研究人员得出结论：纯Pt和纯Pd都不是修饰工作电极的最佳选择，孔隙结构随Pd含量的增加而变化。图1l、1m显示了多孔 Pt4Pd4 样品的能量色散光谱（EDS） 映射图像，证实了 DHBT 方法可以通过参数优化沉积具有所需原子比的Pt-Pd双金属结构。

研究结果：

图 2 不同条件下测得多孔Pt2xPd8-2x双金属结构中的电流（x = 1， 2， 3）

图2a展示了Pt2xPd（8-2x）样品（x = 1, 2, 3）在0.5 M H₂SO₄溶液中以100 mV/s的扫描速率获得的循环伏安（CV）曲线。CV曲线揭示了三个不同的电位区域：氢吸附/脱附（从-0.20到0.04 V）、电双层（从0.04到0.50 V）以及Pt/Pd氧化物的形成/还原（从0.50到0.80 V）。与阴极峰相关的电荷，对应于贵金属氧化物的还原，是贵金属电化学活性表面积的指标。样品Pt2xPd（8-2x）（x = 1, 2, 3）观察到与表面氧化物形成/还原相关的典型氧化还原峰，而Pt4Pd4/Au-SPE在测试样品中展现出最大的电化学活性表面积。如图2b，为了进一步研究暴露的活性位点，研究者利用双层电容（Cdl）作为多孔Pt2xPd（8-2x）（x = 1, 2, 3）双金属结构相对电化学表面积（ECSA）的指标。Pt4Pd4/Au-SPE展现出最高的Cdl值45.9 mF/cm²，而Pt6Pd2和Pt2Pd6样品的Cdl值相对较低，分别为33.1和33.3 mF/cm²。基于这些实验结果，研究者得出Pt4Pd4样品具有最大电化学活性面积的结论。

葡萄糖与催化活性形式的葡萄糖氧化酶（GOx）反应，涉及酶的FAD辅因子。在此反应中，产生了葡萄糖内酯和还原形式的GOx（FADH₂）。随后，GOx（FADH₂）与溶解氧反应，导致H₂O₂的形成和GOx（FAD）的再生。H₂O₂是葡萄糖酶促氧化的副产物。然而，由于H₂O₂的分解，其水平进一步降低，从而增加了响应电流。Pt4Pd4样品的安培检测在0-300 μM的H₂O₂浓度范围内进行，如图2c所示。催化响应在0.01 M PBS中以-0.4 V的工作电位下进行评估。响应电流随着H₂O₂浓度从50-300 μM的增加而成比例增加。响应电流与分析浓度之间建立了线性关系，灵敏度为104 μA·mM^-1·cm^-2，检测限低至16μM，如图2d所示。结果表明，多孔Pt4Pd4结构提供了许多活性位点，使其适合大规模葡萄糖传感应用。

图 3 不同处理条件下生物传感器的电流响应

将GOx、单壁碳纳米管（SWCNTs）和壳聚糖混合形成酶膜，并将其固定Pt4Pd4/Au-SPE上，制备了GOx@SWCNTs/Pt4Pd4/Au-SPE葡萄糖生物传感器。使用0.4 V的施加电位对这种生物传感器的葡萄糖传感性能进行了评估。如图3a所示，随着葡萄糖浓度的增加，生物传感器的电流响应相应增加。并在响应电流与葡萄糖浓度之间观察到如图3b所示的线性关系，方程为Y = 0.014X - 2.055，相关系数（R²）为0.998，表明该生物传感器的灵敏度为112μA·mM^-1·cm^-2，检测限低至16μM，表明其在未来从人体汗液中连续监测葡萄糖方面具有相当大的潜力。

选择性是葡萄糖生物传感器性能的关键方面。研究者评估了生物传感器对包括NaCl、KCl、尿酸（UA）和抗坏血酸（AA），在葡萄糖存在的情况下等各种干扰物质的响应，如图3c所示，得出GOx@SWCNTs/Pt4Pd4/Au-SPE对这些干扰物质没有显著响应是由于固定在工作电极表面的GOx的选择性氧化这一结论。这一结果表明该生物传感器具有优异的葡萄糖检测选择性。

稳定性是评估生物传感器在实际应用中的关键参数。研究团队将GOx@SWCNTs/Pt4Pd4/Au-SPE生物传感器密封并储存在4℃下，以评估其储存稳定性。如图3d所示，生物传感器在21天后保留了其初始电流响应的98%，表明该生物传感器具有良好的储存稳定性，可能满足长途运输和实时监测的要求。此外，研究团队在人工汗液中进行了检测实验，进一步证明了GOx@SWCNTs/Pt4Pd4/Au-SPE生物传感器在实际场景中的应用潜力。

创新点

使用DHBT方法获得一种基于多孔Pt-Pd的酶葡萄糖生物传感器，为制造高稳定性葡萄糖生物传感器提供了新的途径。这种生物传感器的性能包括理想的检测范围50-300μM、高灵敏度（112μA·mM^-1·cm^-2）、出色的抗干扰能力和超过21天的持久的稳定性。这种传感器的结构为分子/离子扩散和相互作用提供了充足的表面积，并提供了稳定的界面环境，从而确保了持续的催化活性，并为葡萄糖传感应用产生了可靠和可量化的信号。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s12598-024-02792-9