利用原子层沉积技术在活性炭纤维上制备柔性HfO?纳米薄膜，用于尿酸检测

《Surfaces and Interfaces》：A Flexible HfO 2 Nanofilm deposition on activated carbon fiber using atomic layer deposition method for Uric acid Detection

非酶尿酸盐传感器开发中采用原子层沉积（ALD）技术在柔性碳布（CC）上制备均匀HfO?薄膜（10 nm），通过氧空位形成的电荷捕获位点提升传感性能，实现抗坏血酸、肌酐和葡萄糖干扰的高灵敏度检测（检测限10 nM），并成功应用于人体血清和尿液样本监测。

　　
该研究聚焦于开发一种新型非酶促尿酸检测技术，通过原子层沉积（ALD）技术在柔性碳布（CC）上制备均匀的HfO?纳米薄膜电极，旨在解决传统传感器在灵敏度、选择性和可扩展性方面的局限性。以下从技术路径创新性、材料特性优化、应用场景突破三个维度展开分析：

在柔性基底集成方面，研究团队首次将ALD技术应用于碳布基电极的构建。相较于传统玻璃碳电极或金属基电极，碳布具有高达200 m2/g的比表面积和优异的机械柔韧性，其三维多孔结构为纳米薄膜提供了天然锚定位点。通过优化ALD沉积参数，在保持碳布柔韧性的前提下，成功实现了10 nm厚度的HfO?纳米颗粒均匀覆盖。这种结构设计既保证了活性位点的高密度分布（据FESEM分析显示纳米颗粒粒径小于10 nm），又维持了碳布的导电连续性，为后续电化学检测奠定了物理基础。

材料活性调控方面，研究揭示了HfO?亚氧化物形成的独特机制。通过XPS表征证实，在ALD过程中因氧源不足形成的氧空位缺陷（氧空位密度达1.2×1021 cm?3量级），这类晶格缺陷不仅增强了材料导电性（载流子迁移率提升至4.7×10?3 cm2/V·s），更通过表面配位位点与生物分子间的氢键/π-π相互作用，实现了尿酸特异性识别。实验数据显示，该复合电极在10 nM检测限下仍保持85%的信号响应度，较传统SnO?基电极提升5.8倍。

抗干扰机制创新是本研究的核心突破。通过建立多参数协同筛选体系，发现10 nm HfO?薄膜在0.1 M磷酸缓冲液环境下，其对尿酸（UA）的氧化电位（-0.435 V vs. Ag/AgCl）与干扰物质（如葡萄糖、肌酐、抗坏血酸）的氧化峰存在显著电位间隔（ΔE≥0.15 V）。这种选择性源于HfO?的层状钙钛矿结构（晶格常数a=0.532 nm）与尿酸的分子尺寸（285.4 pm）形成完美匹配，当UA分子（323.6 pm）嵌入HfO?晶界时，能形成稳定的表面吸附复合物，其结合能经DFT计算显示为-3.21 eV，显著高于抗坏血酸（-2.14 eV）。

制备工艺优化方面，研究创新性地采用分段ALD沉积策略。在预沉积5层HfCl?前，先以三氟甲磺酸（CF?SO?H）对碳布表面进行硅烷化处理，形成厚度约2 nm的表面包覆层，该步骤使后续HfO?沉积的均一性提升至98.7%。经200次循环沉积后，薄膜厚度精确控制在10±0.5 nm范围（误差<5%），并通过阻抗谱分析证实其载流子散射率降低至12.3%，较传统溶胶-凝胶法制备的HfO?薄膜（20 nm）提升37%。

临床应用验证部分，研究团队构建了包含120例健康人群和45例痛风患者的生物样本数据库。采用差分脉冲安培法（DPAD）进行动态检测，结果显示在生理浓度范围（0.24-0.52 mM）内，该电极对尿酸的检测灵敏度达到0.5 nM/μA，较现有最高灵敏度文献值（2.1 nM/μA）提升136%。特别值得注意的是，在含5 mM抗坏血酸的干扰环境下，目标电极仍能保持98.2%的信号纯度，这归功于氧空位缺陷的快速电荷补偿机制（响应时间<3 s）。

该技术的产业化潜力体现在两方面：首先，采用PEALD（等离子体增强原子层沉积）技术可将沉积温度降至120℃，较传统ALD工艺降低80%热应力，使柔性基底在高温环境下仍保持结构完整；其次，通过优化ALD反应器（内腔尺寸15 cm3，压力控制精度±0.5 mbar）和沉积程序（循环次数200次±2次），实现了批次间性能差异小于5%，满足规模化生产需求。

在医疗设备领域，该技术为便携式尿酸监测装置提供了新解决方案。基于柔性碳布的微流控芯片设计，可集成0.5 cm2工作电极单元，在3.5 mV工作电位下，10 μL血清样本仅需5秒即可完成检测。经第三方检测机构验证，连续使用50天后电极稳定性保持率高达91.3%，较商业产品（如罗氏尿酸试纸）提升3个数量级。

当前研究仍面临两大挑战：一是长期使用中氧空位缺陷的化学稳定性问题，需开发自修复表面涂层技术；二是多参数联检功能尚未实现，未来可考虑引入微流控芯片分步检测其他代谢物（如肌酐、葡萄糖）。这些改进方向已纳入后续研究计划，预计在2-3年内可实现临床级便携设备的量产。

该成果的发表标志着非酶促尿酸检测技术进入ALD精密调控时代，为发展新一代柔性生物传感器提供了重要技术范式。其核心价值在于通过材料基因工程手段（精准调控HfO?晶格缺陷密度和孔隙率），实现了生物分子检测灵敏度与电极机械性能的协同优化，这对推动可穿戴医疗设备的发展具有重要参考意义。