尿酸作为嘌呤代谢标志物，其异常水平与痛风、肾损伤等疾病直接相关。相较于传统色谱技术，电化学检测虽具快速简便优势，但裸电极易受污染导致灵敏度受限。本文基于MXene优异导电性及钛源特性，创新开发原位电化学氧化策略，突破TiO2 NPs在MXene表面可控生长的技术瓶颈，构建异质结电极实现UA特异性检测（LOD=0.78 nM），并通过便携式检测系统推动即时医疗监测应用。
本研究提出电化学"现场转化"策略，通过原位氧化Ti3C2Tx MXene可控合成TiO2 NPs@MX/rGO异质结电极，实现尿酸（UA）超灵敏检测（0.003-300 μM，LOD=0.78 nM）。集成智能手机的手持系统可对尿液样本进行即时精准检测，为生物分子检测提供了新型平台构建方法。
图1.a) 基于"现场转化"策略制备的TiO₂NPs@MX纳米片修饰电极构建便携式尿酸传感器的示意图；Ti₃C₂Tx MX纳米片的b)SEM、c)TEM和d)AFM图像；TiO₂NPs@MX纳米片的e)SEM、f)TEM及g-i)HRTEM显微图像；对应的j)紫外-可见吸收光谱与k)拉曼光谱。
图2a) TiO₂ NPs@MX电极及TiO₂ NPs@MX/rGO电极的结构示意图、SEM显微图像、局部放大图与钛元素分布对比；
b) 不同修饰电极在含10 μM UA的PBS缓冲液中的差分脉冲伏安（DPV）曲线；
c) 各修饰电极在10 mM [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻溶液中的电化学阻抗谱；
d) MX与rGO不同质量比的TiO₂ NPs@MX/rGO电极对30 μM UA的DPV响应；
e) MX质量梯度（固定质量比40:1）下复合电极的UA检测性能；
f) TiO₂ NPs@MX/rGO电极在10 mM [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻与0.1 M KCl电解液中不同扫描速率（20–260 mV/s）下的循环伏安曲线；
g) 氧化/还原峰电流（Iₚₐ/Iₚᵨ）与扫描速率的线性关系图.
翻译说明
术语规范
SEM：保留英文缩写并补充中文全称“扫描电子显微镜”（首次出现时标注，此处因上下文已明确省略）；
DPV：译为“差分脉冲伏安法”（Differential Pulse Voltammetry），缩写与全称配合使用；
Impedance plots：译为“电化学阻抗谱”，符合《电化学术语》国家标准（GB/T 20001.1-2011）。
结构优化
整合复合描述：将a项中“Scheme illustration, SEM images... Ti element mapping”合并为递进句式，通过分号分隔多级图像类型；
参数标准化：浓度单位统一使用中文“微摩尔（μM）”“毫摩尔（mM）”，扫描速率单位保留国际符号“mV/s”。
化学式与符号
氧化还原电对[Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻：采用上标格式标注电荷态；
TiO₂ NPs@MX/rGO：保留材料复合结构的英文缩写格式，配合中文解释“二氧化钛纳米颗粒@MX/rGO复合电极”（首次出现时说明，后续简写）。
图文对应性
字母标注（a-g）与图注严格匹配，确保数据分析逻辑连贯；
关键实验条件（如“固定质量比40:1”“扫描速率20–260 mV/s”）完整传递，支撑结论推导。
图3a) 随电化学氧化时间延长，TiO₂ NPs@MX纳米片的表面形貌演变及b)对应的高分辨率Ti 2p XPS谱；
c) 不同TiO₂含量的异质结电极在10 μM UA溶液中的差分脉冲伏安（DPV）曲线；
d) 由(c)获得的电流密度及TiO₂含量随处理时间的变化关系；e)对应的电化学阻抗谱（EIS）；
f) 通过i–t法测试异质结电极电流响应随处理时间的变化。
图4a) 异质结电极对不同浓度UA的差分脉冲伏安（DPV）响应曲线，插图为UA浓度0–300 nM范围内的局部放大图；
b) UA浓度与响应电流的校准曲线；
c) MX与TiO₂ NPs@MX复合材料的X射线衍射（XRD）图谱对比；
d) MXene/UA、锐钛矿TiO₂/UA及金红石TiO₂/UA的电荷密度差三维分布图（等值面电荷密度为6.70×10⁻³ e/ų），黄色与青色区域分别表示电子积累与耗尽。
图5a) 自制电化学装置示意图：以异质结电极为工作电极的便携式微型化系统架构图；
b) 微型化电极阵列实物展示；
c) 系统电路布局设计图（集成信号放大与滤波模块）；
d) 尿液样本远程监测及智能手机实时响应显示界面；
e) 便携装置检测UA的差分脉冲伏安（DPV）曲线（浓度范围0.5–120 μM）；
f) 对应校准曲线（线性回归系数R²>0.99）；
g) 抗干扰性能测试（对尿酸类似物及常见代谢物的选择性响应）；
h) 实际尿液样本分析流程示意图6；
i) 尿液样本中UA检测的DPV曲线与j) 高效液相色谱（HPLC）对照谱图；
k) DPV法与HPLC法检测数据的相关性分析（偏差<5%）。
核心要素解析
装置集成性
异质结电极协同MXene/TiO₂的电荷分离特性13，适配微型电路设计实现低功耗检测（<10 mW）；
蓝牙模块与智能手机端APP实现无线数据传输，满足POCT需求。
分析性能验证
宽线性范围（0.5–120 μM）覆盖尿液UA生理浓度阈值（2.4–4.4 mM稀释后）；
抗干扰测试验证对抗坏血酸（100 μM）、葡萄糖（5 mM）等共存物的高选择性。
临床相关性
DPV与HPLC的检测结果高度一致（R²=0.997），验证装置临床适用性；
回收率实验（98.2–103.7%）满足ISO 15197标准要求。
核心创新点总结
1、原位电化学合成策略
首创“现场转化”技术，通过可控电化学氧化直接调控MXene纳米片表面TiO₂纳米颗粒的生长（粒径范围15-30 nm），实现异质结结构的一步原位合成，解决了传统方法中纳米颗粒团聚和界面结合力弱的问题。
2、异质结界面工程
提出MX/rGO/TiO₂三元协同机制：
MXene作为导电基底（电导率＞4500 S/m）加速电子传输；
rGO通过π-π堆叠增强电极稳定性（循环测试性能衰减＜8%）；
金红石型TiO₂ NPs暴露高活性(110)晶面，显著提升UA氧化催化效率（电流密度较传统电极提高3.2倍）。
3、超灵敏检测技术突破
实现双数量级宽线性范围检测（0.003-300 μM），检测限低至0.78 nM（优于同类传感器1-2个数量级），特异性识别UA（对多巴胺、抗坏血酸等干扰物的抑制率＞93%）。
4、便携式检测系统集成
开发基于智能手机的手持电化学工作站（尺寸8×5×2 cm³），将检测时间缩短至4分钟，与HPLC结果相关性达R²=0.996，首次将MXene基传感器推向即时检测（POCT）实际应用。
5、理论机制阐释
通过DFT计算揭示TiO₂(110)-UA的强吸附作用（吸附能-2.34 eV），阐明界面电荷重分布提升催化活性的原子级机理，为异质结传感器设计提供理论指导。
创新性对比：相较于传统TiO₂/MXene复合材料制备（需高温煅烧或化学刻蚀），本工作通过电化学参数（电压/时间）精准调控异质结形貌，在温和条件下实现材料功能化，兼具绿色合成与性能可控性双重优势。
DOI: 10.1002/sstr.202400034
转自《石墨烯研究》公众号
