集成MXene的ZIF-7纳米杂化平台，用于高性能电化学肌酐传感

《Talanta》：MXene-Integrated ZIF-7 Nanohybrid Platform for High-Performance Electrochemical Creatinine Sensing

本研究通过一锅水热法制备ZIF-7/Ti3C2Tx异质结构，修饰铅笔石墨电极，实现肌酐检测。该传感器灵敏度为0.079 mA·μM?1·cm?2，检测限低至86 nM，线性范围1-50 μM（R2=0.996），并展现出优异的选择性、稳定性和临床适用性。

　　这项研究探讨了一种新型的二维材料——MXenes在电化学传感领域的应用，并针对其电流信号较低的问题提出了解决方案。研究团队通过一种一步溶剂热法，合理设计了ZIF-7/Ti?C?Tx异质结构，将沸石咪唑酯骨架（ZIF-7）与MXene（Ti?C?Tx）相结合，从而提升了传感器的性能。随后，该纳米复合材料被直接涂覆在铅笔石墨电极（PGE）表面，用于构建一种高效的肌酐检测传感器。

肌酐是评估肾功能的重要生物标志物，广泛用于慢性肾病（CKD）、心血管疾病和肌肉功能障碍等疾病的诊断。然而，传统的检测方法如贾弗反应存在选择性差、易受干扰以及反应条件苛刻等缺点。因此，寻找一种快速、经济、高灵敏度的检测方法成为临床诊断中的研究重点。电化学传感技术因其高灵敏度、实时检测能力和易于微型化等优势，受到研究人员的广泛关注。但目前，实现肌酐的直接、快速和灵敏的电化学检测仍面临挑战。

PGE作为一种低成本、可重复使用且高度可塑的电化学传感器平台，已被证明在多种应用中表现出色，包括重金属、药物和生物分子的检测。PGE的高亲水性、宽电位窗口以及易于表面修饰的特性，使其成为替代传统碳电极的有力竞争者。此外，ZIF-7作为MOFs（金属有机框架）的一种，具有稳定的结构和优异的热稳定性，这使得其在电催化领域展现出应用潜力。ZIF-7的引入不仅能够增强MXene的导电性，还能防止MXene纳米片的重新堆叠，从而增加电活性位点、缺陷和官能团的暴露程度，进一步提升传感器的性能。

研究团队通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜结合能谱分析（FESEM-EDX）和X射线光电子能谱（XPS）等手段对ZIF-7/Ti?C?Tx纳米复合材料进行了全面表征。这些分析结果揭示了该材料的结构、形貌和化学特性，为后续的电化学性能评估提供了理论依据。在电化学性能测试中，采用循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）和电化学阻抗谱（EIS）对传感器进行了系统评价，结果显示该传感器在肌酐检测方面表现出优异的灵敏度和选择性。

具体而言，该传感器在肌酐浓度为1至50 μM的范围内展现出线性响应（R2 = 0.996），其定量限为261 nM，检测限（LOD）为86 nM，灵敏度达到0.079 mA·μM?1·cm?2。此外，该传感器在实际人体唾液样本中的检测表现出良好的选择性、重复性和可重复性，其相对标准偏差（RSD）分别为0.53%和2.36%，且肌酐的回收率在94.1%至101%之间。这些结果表明，该传感器在临床诊断中具有重要的应用前景。

在电催化机制方面，研究团队深入探讨了肌酐在ZIF-7/Ti?C?Tx纳米复合材料上的氧化过程。肌酐在水溶液中会发生互变异构化，暴露出其外环氨基作为电子转移的活性位点。在扩散控制的体系中，肌酐分子主要通过扩散而非表面吸附的方式从溶液中转移到电极表面，从而实现高效的氧化反应。ZIF-7的引入不仅增强了MXene的导电性，还通过其独特的结构特性，改善了电荷转移效率和电活性位点的可及性，使得传感器能够更有效地响应肌酐的浓度变化。

此外，研究团队还评估了该传感器在实际样品中的稳定性与实用性。实验结果表明，该传感器在复杂的生物样本中依然能够保持较高的检测精度和重复性，这为其实现非侵入式的临床诊断提供了可能。通过结合ZIF-7的电催化性能与MXene的二维结构优势，研究团队成功构建了一种新型的电化学传感器，其不仅在灵敏度和检测限方面优于传统方法，还在实际应用中展现出良好的稳定性与可重复性。

该研究的创新之处在于，通过一步溶剂热法实现了ZIF-7与Ti?C?Tx的高效整合，避免了复杂的合成步骤，同时提升了材料的电化学性能。这种异质结构的构建方式为未来的电化学传感器设计提供了新的思路，尤其是在提升灵敏度和选择性方面。此外，该研究还强调了ZIF/MXene异质结构在非侵入式、高精度临床诊断中的潜在价值，为相关领域的研究奠定了基础。

ZIF-7/Ti?C?Tx复合材料的成功制备不仅拓宽了MXene在电化学传感中的应用范围，还为开发其他类型的生物传感器提供了借鉴。MXene的二维结构使其具有较大的比表面积和优异的导电性，而ZIF-7的引入则进一步增强了其电催化活性和稳定性。这种协同效应使得传感器能够在较低浓度下检测肌酐，同时保持较高的灵敏度和选择性。研究团队的实验结果表明，该传感器在复杂环境下的检测能力并不逊色于实验室条件下的检测结果，这为其在实际临床环境中的应用提供了有力支持。

为了验证该传感器的性能，研究团队还进行了材料的表征和电化学测试。FTIR分析显示，ZIF-7/Ti?C?Tx复合材料保留了ZIF-7的特征官能团，如C=C和C-N键，同时MXene的官能团如-OH、-O和-F也得到了有效保留。XRD分析进一步证实了复合材料的结晶性和结构稳定性，而XPS则揭示了材料表面的化学组成及其氧化状态的变化。FESEM-EDX图像展示了ZIF-7在Ti?C?Tx纳米片上的均匀分布，表明该复合材料在微观结构上具有良好的均匀性和稳定性。

在电化学性能测试中，研究团队采用了多种方法，包括CV、DPV和EIS，以全面评估传感器的性能。CV结果显示，ZIF-7/Ti?C?Tx修饰的电极在检测肌酐时表现出显著的电流响应，且其响应信号与肌酐浓度呈良好的线性关系。DPV测试进一步验证了该传感器的高灵敏度和低检测限，而EIS测试则揭示了其优异的电荷转移性能和较低的电荷转移电阻（Rct）。这些测试结果表明，该传感器在电化学性能上具有显著优势，能够满足临床诊断对高灵敏度和高选择性的需求。

此外，研究团队还对传感器的重复性和可重复性进行了评估。实验结果显示，该传感器在多次测试中表现出稳定的性能，其相对标准偏差（RSD）分别为0.53%和2.36%，表明其具有良好的重复性和可重复性。这种稳定性对于实际应用至关重要，因为它确保了传感器在不同实验条件下能够提供一致和可靠的结果。同时，该传感器在实际人体唾液样本中的检测回收率高达94.1%至101%，进一步证明了其在复杂生物样本中的实用性。

综上所述，这项研究通过合理设计ZIF-7/Ti?C?Tx异质结构，成功构建了一种高性能的肌酐检测传感器。该传感器不仅在灵敏度和检测限方面表现出色，还在选择性、重复性和可重复性方面具有显著优势。研究团队的实验结果表明，该传感器在临床诊断中具有广阔的应用前景，能够为肾功能评估提供一种快速、经济、高精度的检测方法。这一成果不仅为电化学传感器的发展提供了新的思路，也为非侵入式临床诊断技术的进步做出了贡献。