基于CuO NPs/MWCNTs复合修饰丝网印刷电极的非侵入式智能手机唾液葡萄糖传感系统

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Non-Invasive Smartphone-Based Saliva Glucose Sensing System Using CuO NPs/MWCNTs Composite-Modified Screen-Printed Electrodes

　　

为解决传统侵入式葡萄糖监测存在的疼痛、感染风险及患者依从性差等局限性，本研究开发了一种基于CuO纳米颗粒（CuO NPs）/多壁碳纳米管（MWCNTs）复合修饰丝网印刷电极（SPE）的非侵入式智能手机电化学传感系统，用于唾液葡萄糖检测。CuO NPs由铜金属有机框架（Cu-MOFs）经高温煅烧衍生得到，具有高比表面积和丰富孔结构，可提供大量葡萄糖反应位点。鉴于唾液中葡萄糖浓度较低，研究人员进一步引入多壁碳纳米管（MWCNTs）以提升电化学性能。所开发的传感器在0.1 M NaOH中表现出优异的葡萄糖响应，线性范围为0.05–3 mM，灵敏度为0.511 mA·mM-1·cm-2，检测限低至8.94 μM（信噪比S/N = 3）。此外，该传感器具备出色的重复性、长期稳定性及抗干扰能力。在实际唾液样本测试中，该系统成功追踪了口服葡萄糖后人体唾液葡萄糖的动态变化，与血糖趋势具有良好一致性。这些结果凸显了该平台用于非侵入式葡萄糖趋势监测的可行性与初步潜力，针对糖尿病人群的临床验证留待未来工作中开展。

该研究发表于《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》。目前糖尿病作为慢性代谢性疾病全球患病率迅速上升，持续准确的血糖监测对其诊疗至关重要，但传统指尖采血侵入式监测存在疼痛、感染风险及依从性差等问题。唾液因无痛采集、易处理且适合重复测量成为极具前景的非侵入式生物流体候选基质，研究报道唾液葡萄糖与血糖存在相关性，然而唾液中葡萄糖浓度通常较血液低数个数量级，且含有复杂生物分子与电解质混合物，对传感器的灵敏度、选择性及稳定性提出显著挑战。早期电化学设备体积庞大、系统集成度低、操作复杂，限制了家庭场景应用，将葡萄糖传感器与具备先进传感技术与移动计算能力的智能手机集成可提升电化学检测系统的便携性与用户友好性，实现患者随时自我采样检测，为非侵入式葡萄糖监测提供可行途径。非酶电化学葡萄糖传感器基于先进功能材料，具备优异稳定性、鲁棒性、成本效益及易集成性，是智能手机系统的理想选择，过渡金属氧化物如CuO因其独特电子结构与化学稳定性成为研究热点，金属有机框架（MOFs）衍生的过渡金属氧化物因极高比表面积、可调孔结构及丰富氧化还原活性金属中心具应用潜力，但MOFs本征电导率低限制电化学性能，引入导电纳米材料如多壁碳纳米管（MWCNTs）可增强电荷传输与催化效率。尽管如此，现有传感器仍面临唾液低浓度检测需求、复杂基质抗干扰及依赖台式工作站无法实现即时检测等挑战，多数智能手机集成系统采用易受变性影响的酶法或缺乏痕量唾液葡萄糖检测结构优化，因此亟需集成合理设计纳米材料与智能手机检测的非酶高灵敏便携平台。研究人员通过开展Cu-MOFs水热合成后经300 ℃煅烧制备分级多孔CuO NPs，协同整合MWCNTs入多孔CuO框架克服导电性不足并加速电子转移，制备一次性CuO NPs/MWCNTs/SPE并集成自研智能手机便携恒电位仪用于实时唾液葡萄糖监测，通过系统性评估灵敏度、选择性、稳定性及口服葡萄糖耐量试验（OGTT）期间与血糖波动相关性验证系统性能，得出该非酶传感系统在0.05–3 mM具宽线性范围、灵敏度0.511 mA·mM^-1·cm^-2、检测限8.94 μM，15天后保留89.3%响应，5支独立电极相对标准偏差（RSD）1.38%，干扰物电流响应低于葡萄糖10%，实际唾液回收率94.2–98.1%，OGTT中唾液葡萄糖动态趋势与血糖一致，对数回归Pearson r=0.804，具显著生理关联性，证实该平台用于非侵入式葡萄糖趋势监测可行性，一次性电极与智能手机读出在成本效益、便携性及用户便利性具优势，为便携生物传感提供基础技术平台，临床转化是未来研究关键优先级。

作者为开展研究用到的主要关键技术方法包括：设计并开发由恒电位仪、数模转换器（DAC）、蓝牙通信模块及微控制器组成的便携式电化学检测器与基于Qt Creator开发的智能手机应用程序建立双向数据传输通道；通过一步水热法合成以均苯三甲酸（H₃BTC）为有机配体的Cu-MOFs并经300 ℃煅烧制CuO NPs，共分散MWCNTs滴涂于活化丝网印刷电极（SPE）制CuO NPs/MWCNTs/SPE；制备人工唾液并按OGTT协议采集5名志愿者空腹及服糖后1 h、2 h真实唾液样本与指尖毛细血管血样同步检测。

3. Results and discussions

3.1. The performance of the smartphone-based system

研究人员通过在含不同浓度K₃[Fe(CN)₆]的0.1 M KCl溶液中以100 mV s^-1扫描速率进行循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）测量，对比智能手机系统与商用电化学工作站（CHI760F）响应，统计峰电流高度吻合，证实智能手机系统能精确控制施加电位并可靠采集电化学信号，适合替代电化学工作站进行后续测量。

3.2. Material characterization

研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）表征裸SPE、Cu-MOFs/SPE、CuO NPs/SPE及CuO NPs/MWCNTs/SPE形貌，裸SPE呈典型颗粒片状复合结构具多尺寸孔隙，Cu-MOFs呈光滑表面八面体形貌，煅烧后CuO NPs继承前驱体八面体形貌且配体分解与结合水脱除产生大量表面孔隙形成多孔结构，MWCNTs均匀锚定于CuO NPs表面增强电荷传输与界面电子转移。

3.3. Direct electrochemical behavior of the CuO NPs/MWCNTs/SPE

研究人员在5 mM K₃[Fe(CN)₆]和0.1 M KCl溶液中测试多类电极CV曲线，Cu-MOFs或CuO NPs修饰后峰电流显著下降无清晰氧化还原峰归因于MOFs本征电导率低阻碍电子转移，MWCNTs/SPE具清晰氧化还原峰，CuO NPs/MWCNTs/SPE峰电流显著高于CuO NPs/SPE证实MWCNTs促进可逆Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原反应。通过Randles–Sevcik方程计算电化学活性表面积（ECSA），CuO NPs/MWCNTs/SPE为0.433 cm²，较CuO NPs/SPE提升约87倍。不同扫描速率下氧化与还原峰电流与扫描速率平方根呈强线性依赖，表明电极表面电化学过程受准可逆扩散控制机制支配。

3.4. Electrocatalytic oxidation of glucose by CuO NPs/MWCNTs/SPE

研究人员在0.1 M NaOH中对多类电极进行不同浓度葡萄糖CV扫描，MWCNTs/SPE起始电位+0.4 V，CuO NPs/SPE起始电位+0.2 V低于Cu-MOFs/SPE的+0.3 V，CuO NPs/MWCNTs/SPE电流响应最高且起始电位低至+0.2 V，源于MOF衍生CuO分级多孔结构与MWCNT导电网络协同效应及CuO/CuOOH氧化还原介导葡萄糖氧化机理。LSV在0.05–3 mM呈良好线性响应，灵敏度0.51 mA·mM^-1·cm^-2，检测限8.94 μM（S/N=3）；计时电流法在0.01–2.04 mM与2.04–6.54 mM两段线性，灵敏度分别为182.94与114.55 μA·mM^-1·cm^-2，检测限1.64 μM（S/N=3）。

3.5. Stability, repeatability, and interference resistance analysis

研究人员在0.1 M NaOH中含0.5 mM葡萄糖以+0.45 V恒定电位评估15天长期稳定性，响应保留初始值89.3%；5支独立电极对0.1 mM葡萄糖响应RSD为1.38%；在+0.45 V连续搅拌下依次加入0.1 mM葡萄糖、0.1 mM抗坏血酸（AA）、多巴胺（DA）、尿酸（UA）、尿素（UR）及40 mM K⁺和Cl^-，干扰物仅引轻微电流变化或可忽略，均低于葡萄糖10%，再次加葡萄糖恢复至96.62%，证实传感器具稳健选择性。

3.6. Glucose detection in real saliva samples

研究人员在0.1 M NaOH、人工唾液及真实唾液中依次加10、20、50 μM葡萄糖获快速阶梯电流增加且响应高度一致，人工与真实唾液葡萄糖回收率94.2–98.1%，t检验p值均大于0.05证实唾液基质无显著干扰。真实唾液LSV随葡萄糖浓度增加电流强度增大，校准曲线I (mA) = 0.212 C (mM) + 0.041，检测限14.6 μM（S/N=3）。与近期唾液葡萄糖传感器对比，该非酶传感器消除酶变性限制、制备较模板辅助合成简便、基于一次性SPE较FTO导电玻璃刚性电极更适便携与可穿戴集成，具成本效益与用户友好性。

3.7. Glucose monitoring in saliva during OGTT

研究人员用CuO NPs/MWCNTs/SPE监测5名志愿者空腹、服糖后1 h及2 h唾液葡萄糖，同步用商用血糖仪测指尖血，唾液葡萄糖空腹最低、1 h达峰、2 h回落至正常，动态趋势与典型血糖波动一致。15个配对数据点简单线性回归唾液葡萄糖(mM)=0.0293×血糖(mM)?0.054，R²=0.619，Pearson r=0.787(p=0.0005)，Spearman ρ=0.867(p<0.001)；对数回归ln[唾液]=1.459×ln[血液]?4.744，Pearson r=0.804(p<0.001)；对数Bland-Altman均值差?3.90（95% LoA:?4.27至?3.54）对应唾液与血液比值约1:50，所有配对观测均在95%一致限内无系统趋势，证实唾液与血糖具显著生理关联与一致比例一致性，唾液葡萄糖应视为互补趋势监测指标而非当前阶段血糖诊断替代。

总结讨论部分，研究人员指出碱性预处理（唾液调至pH～12.8加1 M NaOH）是当前限制直接体内应用的因素，因CuO/CuOOH氧化还原介导葡萄糖氧化仅碱性介质具电化学活性，但该外源样本处理步骤简便且回收率优异与比色验证无葡萄糖降解不影响定量；未来可通过表面工程或引入电子介体开发中性pH下工作的CuO基传感器。一次性SPE约1–5美元每单位与便携智能手机检测器约30–50美元可重复使用使系统具成本效益与点护适用性。

翻译研究结论部分：在本研究中，研究人员开发了一种使用CuO NPs/MWCNTs复合电极的基于智能手机的非侵入式唾液葡萄糖传感系统。该复合材料集成了多孔CuO的高催化活性与MWCNTs的优异电导率，从而赋予传感器高灵敏度、宽线性范围及良好的抗干扰性能。通过真实唾液样本测试评估了传感系统的准确性与可靠性，其显示出与血糖趋势令人鼓舞的相关性。尽管本研究证明了该系统在健康个体中非侵入式唾液葡萄糖趋势监测的分析性能与可行性，但研究人员承认诊断级临床验证需要在多样化生理条件下涉及糖尿病患者的更大规模多中心试验。一次性电极设计与基于智能手机的读出在成本效益、便携性及用户便利性方面提供了额外优势。这项工作为便携生物传感提供了基础技术平台，临床转化代表未来研究的关键优先级。

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