氮掺杂有序介孔碳电极构建高性能无酶葡萄糖传感器的研究及其电催化机制解析

研究人员针对传统酶基葡萄糖传感器稳定性差的问题，开发了基于氮掺杂有序介孔碳(NCMK-3)的无酶电化学传感器。通过软模板法和氮功能化制备的电极在0.1 M NaOH中展现出2097.13 μA·mM?1·cm?2的高灵敏度及7.9 μM的低检测限，其性能提升源于氮掺杂诱导的结构紊乱和吡啶氮增加的电活性位点，为糖尿病监测提供了新型碳基材料解决方案。

　　

葡萄糖作为人体核心能量物质，其浓度异常与糖尿病(DM)、心血管疾病等密切相关。当前主流酶基传感器因酶易失活、稳定性差而受限，而无酶传感器虽采用金属/金属氧化物却面临成本高、选择性不足的挑战。台湾科技大学与伊朗设拉子大学联合团队在《Microchemical Journal》发表研究，创新性地利用氮掺杂有序介孔碳(NCMK-3)构建高性能无酶葡萄糖传感器，揭示了氮构型与电催化活性的构效关系。

研究采用硬模板法合成SBA-15硅模板，通过蔗糖碳化和尿素氮掺杂制备NCMK-3电极。借助SEM、XPS表征材料形貌与氮物种分布，通过循环伏安法(CV)评估电化学性能，并建立灵敏度与活性面积的相关性模型。

【材料制备】以SBA-15为模板合成的NCMK-3保留六方介孔结构，SEM显示其孔径分布均匀（0.3±2.1 μm），XPS证实吡啶氮占比提升至38.6%，形成电荷不对称的C^δ+-N^δ?活性位点。

【电化学性能】在0.1 M NaOH中，NCMK-3对葡萄糖氧化的灵敏度达2097.13 μA·mM^?1·cm^?2，较未掺杂样品提高3倍。生理pH(7.4)下仍保持1741.6 μA·mM^?1·cm^?2的灵敏度和12 mM线性范围，且抗抗坏血酸干扰能力显著。

【机制解析】吡啶氮通过增加电活性面积（ECSA）和促进葡萄糖C-H键断裂提升催化效率，密度泛函理论计算显示其过渡态能垒比石墨氮低1.8 eV。

该研究证实氮掺杂可精准调控碳材料催化性能，NCMK-3传感器兼具高灵敏度、低成本与长寿命优势，为开发新一代无酶检测设备奠定基础。台湾国科会(NSTC)资助的SEED项目将进一步优化该技术用于动态血糖监测。