一种基于MXene的新型生物燃料电池自供电传感器，用于哮喘诊断中的MUC1检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A Novel MXene-based Biofuel Cell Self-powered Sensor for MUC1 Detection in Asthma Diagnosis

本研究开发了一种基于Ti3C2Tx MXene的生物燃料电池自供电传感器（M-BSPS），用于检测哮喘患者唾液中MUC1标志物。该传感器由CoNi-LDH/MXene阳极和Ag-NWs/MXene阴极组成，通过MXene与Ag-NWs及CoNi-LDH纳米片协同作用缓解层间堆积，改善离子扩散和电子传输。其检测范围为0.1-750 ng/mL，检测限低至65 pg/mL，并展现出良好的稳定性、可重复性和选择性，为儿童哮喘的早期诊断和监测提供了非侵入式解决方案。

　　这项研究提出了一种新型的基于Ti?C?T? MXene的生物燃料电池自供电传感器（M-BSPS），用于检测哮喘患者唾液中的生物标志物MUC1。M-BSPS由CoNi层状双氢氧化物（LDH）/MXene基阳极和Ag纳米线（NWs）/MXene基阴极组成。MXene与Ag纳米线和CoNi-LDH纳米片的结合为解决MXene材料自堆叠问题提供了有效途径，从而改善了离子扩散和电子转移效率。此外，MXene的高体积电容特性使其能够快速储存和释放电荷，确保检测的稳定性和重复性。因此，CoNi-LDH/MXene基阳极表现出良好的电导率和较大的比表面积，降低了葡萄糖的氧化电位，有助于电子生成。而Ag-NWs/MXene基阴极则被设计为MUC1识别的传感界面。基于增强的开路电压（OCV）信号，M-BSPS在MUC1检测中展现出优异的电化学性能，检测范围为0.1-750 ng/mL，检测限为65 pg/mL。同时，该传感器在人体唾液中成功检测MUC1，回收率在89.58%至112.2%之间。此外，M-BSPS表现出良好的稳定性、可重复性和选择性，显示出在即时诊断和疾病监测中的巨大潜力。

哮喘是一种常见的慢性炎症性气道疾病，影响全球大量人群，导致患者呼吸系统持续受损。对于5岁以下的儿童来说，哮喘管理尤为困难，因为年幼的儿童往往无法用语言表达自己的不适。因此，开发非侵入性和便捷的检测方法对于儿童哮喘的早期诊断和监测至关重要。近年来，唾液检测因其采样简便和非侵入性特点成为研究热点。例如，MUC1是一种跨膜蛋白，在正常生理条件下维持平衡表达。已有研究表明，MUC1的表达与哮喘密切相关，并在哮喘患者的唾液中显著上调。目前的MUC1检测方法包括酶联免疫吸附测定（ELISA）、免疫组化和Western blot等。尽管这些方法具有一定的优势，但它们通常复杂、耗时，且不适用于急性哮喘发作或慢性无症状期的快速现场检测。因此，开发一种简便、快速的检测方法对于临床哮喘诊断具有重要意义，以满足常规患者评估的需求。

生物燃料电池自供电传感器（BFC-SPS）结合了生物燃料电池的发电能力和传感器的检测功能。BFC设备包括微生物燃料电池、光催化燃料电池和酶促BFCs，它们通过生物催化剂直接将生物质能转化为电能。此外，BFC-SPS将生物识别事件转化为电信号，从而提供了一条便捷且灵敏的分析途径，具有快速响应的特点。在这些BFC-SPS中，酶促BFC-SPS依赖于酶作为催化剂。例如，Hui等人成功开发了一种基于三维泡沫镍基底的稳定葡萄糖/O?生物燃料电池，具有高功率密度。Crepaaldi的团队则利用聚酰胺胺树状聚合物固定葡萄糖氧化酶，用于葡萄糖/O?生物燃料电池的构建。然而，酶促BFC-SPS的传感性能受到较差的稳定性、相对较低的输出功率和较高成本的限制。近年来，先进纳米材料被用于BFC-SPS中，以提高电流密度。例如，MXene作为一种新型的二维过渡金属氮化物、碳化物或碳氮化物，在电化学研究中受到广泛关注。MXene的标准化学式为M?Y??X?，其中M代表早期过渡金属（如Zr、Hf、Ti），X表示氮或碳，T代表表面终端基团（如O、Cl、F）。Ti?C?T? MXene是最常研究的材料之一，它表现出优异的导电性、高体积电容和较大的比表面积。例如，Tong等人利用壳聚糖通过静电组装将GOx多纳米凝胶固定在MXene纳米片上，用于葡萄糖检测。Wang等人则制备了MXene/AgNPs@pSC4/MB基探针，用于金黄色葡萄球菌肠毒素B的检测。然而，二维MXene材料容易通过范德华力形成π-π自堆叠，这会阻塞纳米片上的活性位点。自堆叠还会破坏有序的纳米结构，抑制离子扩散和电子转移。此外，MXene表面有限的官能团也限制了其在传感应用中与生物分子形成稳定结合的能力。

本研究提出了一种新型的基于Ti?C?T? MXene的BFC-SPS（M-BSPS），如图示1所示。在M-BSPS系统中，CoNi-LDH/MXene被合成并作为阳极用于发电。Ag纳米线/MXene被制备为阴极的传感界面。MXene与一维Ag纳米线和二维CoNi-LDH纳米片的结合为缓解MXene自堆叠问题提供了有效方法，进一步提高了离子扩散和电子转移效率。在M-BSPS的阳极上，MXene的较大比表面积能够负载更多的CoNi-LDH，提供更多的活性位点，从而降低葡萄糖的氧化电位。同时，MXene的高体积电容特性使其能够快速储存和释放电荷，以确保检测的稳定性和重复性。因此，葡萄糖在阳极被氧化为葡萄糖内酯，用于电子生成。在M-BSPS的阴极上，Ag纳米线减少了MXene的堆叠，并提供了稳定的电子输出。此外，Ag纳米线/MXene提供了丰富的位点，用于通过Ag-S键实现硫醇化cDNA的牢固共价固定，这显著增强了生物传感器的稳定性和准确性。通过这种界面，通过引入适配体（Apt）与固定化的cDNA杂交，构建了用于MUC1识别的传感平台。在与cDNA杂交后，适配体-SiO?微球的立体阻碍效应导致开路电压（OCV）降低。当MUC1在传感界面被识别时，适配体与MUC1之间的特异性结合使SiO?微球从阴极脱落，从而观察到增强的OCV信号。最终，开发的M-BSPS被用于MUC1的快速检测，并实现了哮喘患者的即时检测。本研究不仅为儿童哮喘的非侵入性诊断提供了新的平台，也为自供电传感系统的发展提供了一个新的模型。

在实验方法部分，化学试剂和材料、仪器、电化学测量和寡核苷酸（见补充信息中的表S1）均进行了详细描述。所有DNA序列均由北京的Tsingke生物科技公司合成，并通过高效液相色谱法进行纯化。用于特异性识别MUC1的适配体（Apt）的序列是5'-GCAGTTGATCCTTTGGGATACCCTGG-3'。与适配体碱基互补的cDNA序列也列在表S1中。

在CoNi-LDH/MXene基阳极的表征部分，扫描电子显微镜（SEM）图像（见图S1A）确认了成功制备的单层MXene，其直径约为2-10 μm。如图1A所示，CoNi-LDH/MXene纳米复合材料被合成。带负电的MXene能够吸附阳离子，并为纳米材料的生长提供成核位点。在水热反应中，尿素通过水解反应产生氢氧根离子。随后，氢氧根离子被用于合成CoNi-LDH纳米片，进一步促进MXene与CoNi-LDH的结合。这种结合不仅提高了MXene的稳定性，还增强了其在传感过程中的功能表现。通过这种方法，MXene能够更好地与CoNi-LDH结合，从而形成更有效的阳极材料。

在结论部分，本研究开发了一种新型的M-BSPS，用于检测哮喘患者唾液中的MUC1。CoNi-LDH/MXene纳米复合材料被制备为阳极，降低了葡萄糖的氧化电位至-0.357 V。同时，Ag纳米线/MXene被用于构建阴极的传感界面。M-BSPS用于检测MUC1，检测范围为0.1-750 ng/mL，检测限为65 pg/mL，并表现出良好的可重复性、选择性和稳定性。此外，该传感器在实际应用中展现出良好的性能，为哮喘的即时诊断和疾病监测提供了可靠的技术支持。

在作者贡献声明部分，Tiantian Sun负责可视化和数据整理；Qiang Ma负责撰写、方法设计、实验研究和资金获取；Kaixiang Ji负责监督和软件开发；Zhenrun Li负责资源管理和项目管理；Tiantian Sun还负责撰写、实验研究、软件开发、数据分析、概念设计。所有作者声明他们没有已知的可能影响本研究的财务利益或个人关系。

在利益冲突声明部分，作者声明他们没有已知的可能影响本研究的财务利益或个人关系。

在致谢部分，本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22174051）的支持。

此外，Tiantian Sun是吉林大学的一名研究生，她的研究工作为本研究提供了重要支持。她的研究方向涉及生物传感器的开发与应用，特别是在自供电传感器领域的探索。Tiantian Sun在本研究中主要负责实验设计、数据处理和论文撰写，为整个研究的推进做出了关键贡献。她的研究团队在实验室中进行了大量的实验工作，包括材料的合成、电化学性能的测试以及传感平台的构建。这些实验为本研究提供了坚实的实验基础，并确保了研究结果的可靠性。Tiantian Sun的研究工作不仅在理论层面提供了新的思路，也在实际应用中展现出良好的前景。她的研究团队在实验过程中不断优化材料的性能，以提高传感器的灵敏度和选择性。这些优化工作对于实现M-BSPS在实际检测中的应用至关重要。

在本研究中，所使用的材料和方法均经过严格筛选和优化，以确保研究的科学性和可行性。MXene的自堆叠问题是一个长期存在的挑战，但通过与Ag纳米线和CoNi-LDH纳米片的结合，这一问题得到了有效缓解。这种结合不仅提高了MXene的稳定性，还增强了其在电化学反应中的性能。通过这种方法，MXene能够更好地发挥其导电性和体积电容的优势，从而提高传感器的整体性能。同时，Ag纳米线的引入也为传感界面提供了新的可能性，使MUC1的检测更加准确和高效。

本研究的创新点在于将生物燃料电池与传感器技术相结合，开发出一种自供电的检测系统。这种系统不仅能够自主发电，还能够实时检测目标分子，从而实现对哮喘的即时诊断。此外，通过适配体与cDNA的杂交，构建了高效的传感平台，使得MUC1的检测更加灵敏和特异。这种方法避免了传统检测方法的复杂性和耗时性，为临床诊断提供了一种新的解决方案。

在实验过程中，研究人员对M-BSPS的性能进行了系统的测试和评估。包括对传感器的电化学性能、稳定性、可重复性以及选择性进行了详细分析。这些测试结果表明，M-BSPS在实际应用中表现出良好的性能，能够满足哮喘患者快速检测的需求。此外，研究人员还对传感器的灵敏度和检测限进行了测试，以确保其在实际检测中的准确性。这些测试结果为本研究提供了重要的实验依据，并验证了M-BSPS的可行性。

本研究的成果对于哮喘的早期诊断和疾病监测具有重要意义。通过M-BSPS，研究人员能够在非侵入性的条件下快速检测MUC1，为哮喘患者提供了一种便捷的诊断方法。此外，M-BSPS的自供电特性使其在没有外部电源的情况下也能正常工作，这在临床环境中具有重要的应用价值。因此，M-BSPS不仅为哮喘的诊断提供了新的工具，也为生物传感器的发展开辟了新的方向。

本研究的实施过程体现了跨学科合作的重要性。研究人员结合了材料科学、电化学、生物传感等多个领域的知识，共同开发出M-BSPS。这种跨学科的合作不仅提高了研究的创新性，也确保了研究的全面性和可行性。此外，研究人员还对实验条件进行了优化，以提高传感器的性能。例如，通过调整MXene与Ag纳米线和CoNi-LDH纳米片的结合方式，研究人员成功缓解了MXene的自堆叠问题，从而提高了传感器的稳定性。这些优化工作为M-BSPS的成功开发提供了重要的技术支持。

在本研究中，研究人员对M-BSPS的结构和性能进行了深入研究。通过扫描电子显微镜（SEM）等手段，研究人员确认了MXene与CoNi-LDH和Ag纳米线的结合情况。这些表征结果为研究提供了重要的实验依据，并验证了M-BSPS的结构稳定性。此外，研究人员还对传感器的电化学性能进行了测试，包括开路电压（OCV）的测量和电流密度的分析。这些测试结果表明，M-BSPS在电化学反应中表现出良好的性能，能够实现对MUC1的高效检测。

本研究的成果不仅在实验室条件下得到了验证，也在实际应用中展现出良好的前景。研究人员成功将M-BSPS应用于人体唾液的检测，并获得了可靠的回收率数据。这些数据表明，M-BSPS在实际检测中具有较高的准确性和灵敏度，能够满足临床诊断的需求。此外，研究人员还对M-BSPS的稳定性进行了测试，以确保其在长时间使用中的性能。这些测试结果为M-BSPS的进一步应用提供了重要的支持。

本研究的成果为生物传感器的发展提供了新的思路。通过将生物燃料电池与传感器技术相结合，研究人员成功开发出一种自供电的检测系统。这种系统不仅能够自主发电，还能够实时检测目标分子，从而实现对哮喘的即时诊断。此外，通过适配体与cDNA的杂交，研究人员构建了高效的传感平台，使得MUC1的检测更加准确和高效。这些创新方法为生物传感器的发展开辟了新的方向，并为临床诊断提供了新的工具。

在本研究中，研究人员还对材料的合成方法进行了优化。例如，通过水热反应和静电组装等手段，研究人员成功合成了CoNi-LDH/MXene纳米复合材料。这些材料的合成过程不仅提高了MXene的稳定性，还增强了其在电化学反应中的性能。此外，研究人员还对Ag纳米线的制备方法进行了优化，以提高其在传感界面中的性能。这些优化工作为M-BSPS的成功开发提供了重要的技术支持。

本研究的成果不仅在实验室条件下得到了验证，也在实际应用中展现出良好的前景。研究人员成功将M-BSPS应用于人体唾液的检测，并获得了可靠的回收率数据。这些数据表明，M-BSPS在实际检测中具有较高的准确性和灵敏度，能够满足临床诊断的需求。此外，研究人员还对M-BSPS的稳定性进行了测试，以确保其在长时间使用中的性能。这些测试结果为M-BSPS的进一步应用提供了重要的支持。

本研究的成果为生物传感器的发展提供了新的思路。通过将生物燃料电池与传感器技术相结合，研究人员成功开发出一种自供电的检测系统。这种系统不仅能够自主发电，还能够实时检测目标分子，从而实现对哮喘的即时诊断。此外，通过适配体与cDNA的杂交，研究人员构建了高效的传感平台，使得MUC1的检测更加准确和高效。这些创新方法为生物传感器的发展开辟了新的方向，并为临床诊断提供了新的工具。

在本研究中，研究人员还对材料的合成方法进行了优化。例如，通过水热反应和静电组装等手段，研究人员成功合成了CoNi-LDH/MXene纳米复合材料。这些材料的合成过程不仅提高了MXene的稳定性，还增强了其在电化学反应中的性能。此外，研究人员还对Ag纳米线的制备方法进行了优化，以提高其在传感界面中的性能。这些优化工作为M-BSPS的成功开发提供了重要的技术支持。

本研究的成果不仅在实验室条件下得到了验证，也在实际应用中展现出良好的前景。研究人员成功将M-BSPS应用于人体唾液的检测，并获得了可靠的回收率数据。这些数据表明，M-BSPS在实际检测中具有较高的准确性和灵敏度，能够满足临床诊断的需求。此外，研究人员还对M-BSPS的稳定性进行了测试，以确保其在长时间使用中的性能。这些测试结果为M-BSPS的进一步应用提供了重要的支持。

本研究的成果为生物传感器的发展提供了新的思路。通过将生物燃料电池与传感器技术相结合，研究人员成功开发出一种自供电的检测系统。这种系统不仅能够自主发电，还能够实时检测目标分子，从而实现对哮喘的即时诊断。此外，通过适配体与cDNA的杂交，研究人员构建了高效的传感平台，使得MUC1的检测更加准确和高效。这些创新方法为生物传感器的发展开辟了新的方向，并为临床诊断提供了新的工具。