镍泡沫支撑的NiO/Cu-ZIF/GO复合材料在汗液乳酸检测及超级电容器中的应用

《IEEE Sensors Journal》：Nickel Foam-Supported NiO/Cu-ZIF/GO for the Detection of Lactate in Sweat and Applications in Supercapacitors

本研究开发了一种基于NiO/Cu-ZIF/GO三维多孔纳米复合材料的双功能电化学传感器，成功实现了汗液中乳酸的高灵敏（36.72 μA·mM?1·cm?2）和低检测限（0.354 mM）的精准检测。该材料通过溶胶热法、磁搅拌及液相物理吸附策略制备，集成NiO的催化活性、Cu-ZIF的微孔限域效应和GO的导电网络，协同增强乳酸氧化与能量存储性能，兼具抗尿酸、抗坏血酸干扰能力和长期稳定性（30天保留96.6%初始响应），并展现出120 F·g?1的高比电容及5000次循环后93.6%的电容保持率，验证了其双功能特性。

　　

摘要：

随着对健康监测需求的增加，开发用于检测生物流体中生物标志物的非侵入性、实时技术变得至关重要。本研究开发了一种双功能电化学传感器，该传感器采用NiO/Cu-ZIF/氧化石墨烯（GO）的三维多孔纳米复合材料，能够高精度、高选择性地测量汗液中的乳酸。这种复合材料由NiO纳米花、Cu-ZIF立方框架和超薄GO纳米片组成，通过溶剂热法、磁力搅拌和液相物理吸附技术成功制备。该材料结合了NiO的高催化活性、Cu-ZIF的微孔限制效应以及GO的导电网络，实现了乳酸氧化和能量储存的协同增强。电化学测试显示，其灵敏度为36.72 μA·mM?1·cm?2，检测限为0.354 mM，具有出色的抗干扰能力（能够有效区分尿酸（UA）、抗坏血酸（AA）等物质），并且长期稳定性良好（30天后初始响应仍保持96.6%）。此外，该材料在超级电容器中的比电容为120 Fg?1（1 Ag?1），当电流密度为1 Ag?1时，经过5000次充放电循环后比电容仍保持在93.6%，这验证了其双功能特性。

引言

随着对健康监测需求的增加，生物传感器在医学诊断和健康管理中变得不可或缺。乳酸（LA）是糖酵解代谢中的关键生物标志物，可以实时反映人体缺氧状况、运动强度以及潜在的病理状态[1]、[2]、[3]。传统的基于血液的方法由于具有侵入性而存在局限性。近年来，用于汗液分析的非侵入性电化学传感技术受到了关注，尤其是非酶传感器，因为它们具有成本效益和操作稳定性[4]、[5]。然而，在汗液中检测乳酸面临双重挑战：其生理浓度范围较窄（1–25 mM），且会受到尿酸（UA）等共存物质的干扰，因此需要同时具备高灵敏度和高选择性[6]。研究人员正在通过材料创新和结构优化来克服这些限制，以实现精确的汗液乳酸监测。