基于NiO纳米颗粒的电化学双传感技术：乳酸与葡萄糖交叉敏感性校准研究

为解决传统酶传感器稳定性差、重现性低和成本高的问题，研究人员开发了基于NiO纳米颗粒的非酶电化学传感器，用于乳酸和葡萄糖的双重检测。该传感器在0.1-5 mM范围内表现出良好的线性响应，检测限分别为0.03 mM（乳酸）和0.025 mM（葡萄糖），并通过普鲁士蓝修饰和微流控集成实现了选择性检测与实时监测，为器官芯片等应用提供了新工具。

　　

代谢监测是理解疾病机制和细胞功能的核心，但传统酶基电化学传感器面临稳定性差、成本高和交叉干扰等挑战。尤其在乳酸（lactate）和葡萄糖（glucose）的同步检测中，两者代谢途径的紧密关联导致信号相互干扰，严重限制检测准确性。这一难题在癌症代谢研究（如Warburg效应）和器官芯片（organ-on-a-chip）应用中尤为突出。

针对这些问题，瑞典皇家理工学院（KTH Royal Institute of Technology）的研究团队开发了一种基于氧化镍纳米颗粒（NiO NPs）的非酶双传感器。通过优化工作电位（0.5 V）和Nafion膜厚度，传感器在0.1 M NaOH–KCl电解液中实现了乳酸（灵敏度1.564 μA/mM）和葡萄糖（1.842 μA/mM）的高灵敏度检测。研究进一步提出三种交叉敏感性校准策略：差异Nafion浓度、分步电位法和普鲁士蓝（Prussian Blue, PB）修饰，其中PB修饰通过选择性催化葡萄糖氧化，显著降低乳酸干扰。最终，团队将传感器集成至微流控芯片，验证了其在细胞培养液（HepG2模型）中的实时监测能力，结果与商业检测试剂盒高度一致。相关成果发表于《Talanta》，为代谢研究提供了稳定、低成本的工具。

关键技术包括：1）NiO/Nafion复合电极的滴铸法制备；2）循环伏安法（cyclic voltammetry）和计时电流法（chronoamperometry）优化传感参数；3）基于计算流体力学（CFD）的微流控混合器设计；4）普鲁士蓝电沉积修饰电极；5）双传感数学模型构建（Equation 1-2）以解析交叉干扰信号。

NiO修饰传感器实现乳酸稳定检测

通过200次循环伏安扫描稳定电极后，在0.5 V电位下观察到明显的乳酸氧化峰。计时电流法显示电流强度与乳酸浓度（0-2.5 mM）呈线性相关（R²=0.97），重复性测试证实传感器可稳定使用6次以上（电流波动范围1.97–2.41 μA）。

双传感策略克服交叉干扰

差异Nafion浓度（50 μL vs 100 μL）利用电荷排斥效应调节选择性，但误差达39%。PB修饰传感器则通过Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原介导，使葡萄糖检测灵敏度提升至2.1 μA/mM，在5 mM乳酸存在下仍保持82%准确性。细胞培养验证显示，PB传感器测得葡萄糖消耗与乳酸积累趋势与商业试剂盒一致（误差<15%）。

微流控集成实现实时监测

PDMS-玻璃混合器通过CFD优化实现样本与电解液均匀混合（混合效率>90%），流速10 μL/min时仍能保持稳定电流响应，为器官芯片的长期代谢监测奠定基础。

该研究突破了非酶传感器交叉干扰的技术瓶颈，通过材料改性（NiO/PB）与微流控协同设计，为代谢研究提供了高稳定性、可规模化的解决方案。未来通过自动化生产优化电极均一性，将进一步推动其在动态代谢分析中的应用。