一种基于V2CTx-MXene@f-MWCNTs纳米复合材料的3D多孔石墨烯柔性贴片，结合微流控通道，可用于实时监测汗液中的葡萄糖和酮体含量

《Biosensors and Bioelectronics》：A V2CTx-MXene@f-MWCNTs Nanocomposite–Reinforced 3D Porous Graphene–Based Flexible Patch Integrated with Microfluidic Channels for Real-Time Glucose and Ketone Monitoring in Sweat

　　Md Johurul Islam|Ahmad Abdus Samad|Zahidul Islam|Md Selim Reza|Omar Faruk|Dongyun Kim|Jiwon Go|Jae Yeong Park韩国首尔光云大学电子工程系，邮编01897摘要由于汗液中分析物的浓度低且不稳定，使用可穿戴生物传感器对代谢生物标志物进行可靠、无创的监测仍面临重大挑战。本文报道了一种分层式的V2CTx-MXene@f-MWCNTs/激光诱导石墨烯（LIG）混合结构，用于同时检测汗液中的葡萄糖和β-羟基丁酸，并实现动态校准。二维MXene与一维f-MWCNTs的协同整合能够防止MXene重新堆叠，增加电子流动，提升电活性表面积；而多孔的3D LIG基质则为可穿戴生物电子设备提供了灵活且具有导电性的平台。这种集成微流控技术的V2CTx@f-MWCNTs纳米复合材料贴片可以依次检测葡萄糖和β-羟基丁酸，同时实现实时pH值和温度校准。该生物传感器对葡萄糖和β-羟基丁酸的检测灵敏度分别高达131.41 μA mM-1 cm-2和53.81 μA mM-1 cm-2，检测下限分别为2 μM和10 μM。此外，β-羟基丁酸传感器的性能在连续工作171分钟后依然稳定。这一多功能平台展现出优异的电化学性能、稳定性、重复性以及良好的体内应用前景，可为代谢健康状况的准确监测提供支持，推动下一代无创生物电子平台的发展。引言可穿戴电化学生物传感器已成为无需采血即可对人体生理和代谢状态进行无创、连续实时监测的重要工具（Yu等人，2024年）。汗液作为一种生物流体，含有葡萄糖和β-羟基丁酸等代谢生物标志物（Zhang等人，2024年），这些指标对于糖尿病管理、糖尿病酮症酸中毒的检测、生酮饮食的监控以及代谢灵活性评估都具有重要意义（Noura等人，2022年）。然而，由于汗液中这类物质的含量较低，且汗液基质较为复杂，要实现对其低浓度水平的可靠检测仍然极具挑战性（Bandodkar等人，2016年；Wu等人，2024年）。为克服这一难题，基于汗液的电化学生物传感器需要具备稳定的电化学转导材料，这类材料应能促进快速电子转移，拥有较大的电活性表面积，便于酶的固定，同时还需具备在皮肤变形情况下的机械韧性（Díaz-Fernández等人，2024年；Ménard-Moyon等人，2020年）。过去十年中，诸如石墨烯（Ozbey等人，2025年）、碳纳米管（Power等人，2018年；Theyagarajan和Kim，2023年）、还原氧化石墨烯（rGO）（Geetha Bai等人，2021年）、纳米多孔碳（NPC）（Asaduzzaman等人，2024年）以及碳纳米纤维（CNFs）（Sharifuzzaman等人，2022年）等碳基纳米材料，因其高导电性、大表面积以及化学稳定性，被用作制造柔性生物传感电极的理想转导材料。不过，这些材料也存在一些固有的结构和化学缺陷，比如强烈的π–π堆叠作用会导致材料聚集，从而降低可用表面积；此外，它们的疏水性还会阻碍酶的固定并限制离子传输（Khan等人，2023年；Shin等人，2024年）。相比之下，LIG虽然具有多孔微观结构且质地柔软，但机械强度较差（Jia等人，2013年；Yang等人，2017年），同时其催化活性也不足以支持涉及过氧化氢和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的反应（Diédhiou等人，2025年；Hu等人，2025年；Zahed等人，2020年）。这些缺陷表明，仅依靠碳基材料的生物传感器系统在灵敏度和长期稳定性方面难以满足需求，尤其是在检测汗液中的微量代谢物时。鉴于此，研究人员开发出了新的二维类石墨烯MXene材料，这类材料凭借其独特的物理相互作用、化学反应性以及电化学耦合特性而备受关注。虽然Ti3C2Tx已被广泛用于可穿戴酶基生物传感领域（Samad等人，2026年），但由于氧化降解、范德华力导致的重新堆叠现象，以及反复电化学循环过程中的结构不稳定，会显著影响其长期性能。与钛基MXene相比，V2CTx MXene的原子层更少，钒的氧化还原活性位点密度更高（Matthews等人，2022年），而且催化化学性质更为丰富（Azzouz等人，2022年；Y. Zhang等人，2022a年），因此特别适合用于葡萄糖和β-羟基丁酸的检测。尽管V2CTx MXene具有更高的催化活性以及更环保的特性（Huang等人，2024年；Mounasamy等人，2026年），但它们仍存在MXene共有的局限性，而通过与一维导电纳米材料如功能化多壁碳纳米管进行合理杂化，可以提高这些材料的分散性，增强其亲水性、机械稳定性以及与酶的亲和力，从而解决上述问题。虽然已有部分研究探讨了基于V2CTx的碳纳米管复合材料在气体和丙酮检测领域的应用（Khadem等人，2025年），但将其整合到为可穿戴酶基汗液生物传感器优化的柔性碳骨架中尚未有相关研究。因此，本文设计了一种分层式多维度纳米复合转导材料系统。该系统将具有催化活性、大量氧化还原活性钒位点以及亲水表面的二维V2CTx MXene，与能够提升导电性并防止材料重新堆叠的一维f-MWCNTs相结合，共同构建在多孔的3D LIG网络之上。这种1D–2D–3D多维度纳米复合结构通过增大电活性表面积来优化电子传输网络，提高材料在变形情况下的结构稳定性，进而提升酶的负载效率，而这些特性对于检测汗液中的低浓度生物标志物，如葡萄糖和β-羟基丁酸，至关重要。此外，由于扩散效应导致的非线性现象、酶饱和问题，以及共存代谢物的干扰，使得β-羟基丁酸的检测难以实现线性关系（Asaduzzaman等人，2023年；Amani等人，2025年；Grygolowicz-Pawlak和Bakker，2010年；Kisiel等人，2020年）。近年来，针对酮体检测的研究已经采用了基于rGO的贴片（X. Zhang等人，2022年）、微针酶系统（Moonla等人，2024年）、用于指尖汗液分析的丝印试纸条（Moon等人，2022年）以及比色法检测技术（Wu等人，2024年）。然而，这些检测平台的灵敏度较低，响应速度较慢，稳定性也较差。因此，采用先进的以材料为核心的转导策略，能够打造出更稳定、更具选择性和重复性的检测平台，实现可靠的体内β-羟基丁酸监测。在此背景下，我们设计了一种将分层式V2CTx-MXene@f-MWCNTs纳米复合材料整合到LIG电极中的结构，形成了用于基于汗液的、带有微流控通道的可穿戴生物传感贴片的多功能转导层，具体结构如图1所示。通过温和的蚀刻方法，我们可以获得表面带有–O/–OH端基的V2CTx MXene，随后这些材料通过与f-MWCNTs之间的静电相互作用、氢键作用以及物理互锁作用，形成纳米级复合结构，最终得到一种具有极高导电性且能防止材料重新堆叠的纳米复合结构，如图2A所示。重要的是，这种材料平台恰好满足了酶基葡萄糖和β-羟基丁酸检测的各项关键要求。优化的电子传输路径以及更大的电活性表面积，有助于高效地催化葡萄糖和β-羟基丁酸中间体的转化（Lin等人，2014年；Wiorek等人，2020年）。V2CTx-MXene@f-MWCNTs纳米复合材料的亲水纳米结构有助于汗液中离子的快速传输以及酶的稳定存在。此外，其多孔结构还能提升低浓度分析物的扩散速度，从而实现其在生理相关浓度范围内的精准检测。LIG骨架则能够确保传感器在反复变形情况下的机械稳定性，而这对于可穿戴传感器而言至关重要。这种纳米复合材料不仅解决了纯LIG和MXene材料存在的缺陷，还为制造下一代汗液生物传感器开辟了新的材料途径。最后，这种纳米复合材料被整合到经过特殊设计的限制扩散的膜结构中，同时还配备了贴片上的pH值和温度校准模块，共同构成了一个能够实现可靠、实时代谢监测的完整系统。这是首项关于基于V2CTx@f-MWCNTs/LIG的微流控通道集成型贴片在葡萄糖和酮体多重检测方面应用的报道，该研究凸显了合理材料设计在解决汗液生物传感领域长期存在难题中的重要性。章节节选试剂与仪器所有试剂、设备以及V2CTx@f-MWCNTs复合材料的合成流程均详细记载在补充信息S1中。电极的制备与生物传感器的功能化处理电极的制备及功能化步骤详见补充信息S.1，并在图S1中有示意图展示。各类改性LIG电极的形态与结构特性通过场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜，对V2CTx@f-MWCNTs纳米复合材料以及用于葡萄糖和β-羟基丁酸检测的传感器的结构进行了分析，结果如图2B–G所示。图2B展示了未经过处理的V2AlC MAX材料的三维层状结构。在经过60小时的温和蚀刻处理后（该过程结合使用了氢氟酸和盐酸），V2AlC材料中的铝层会被选择性去除，从而削弱层间结合力。结论总之，我们设计了一种基于分层式V2CTx@f-MWCNTs纳米复合材料的微流控通道集成型多功能贴片，该贴片采用3D多孔LIG结构，可用于实现汗液的实时、无创分析。这种纳米复合材料具备出色的电化学活性、导电性以及机械稳定性，同时还具有更高的灵敏度和更好的重复性。我们的传感器在健康受试者身上的性能已得到验证，同时我们也对设备的检测结果进行了对比分析。CRediT作者贡献说明Omar Faruk：软件应用、数据整理。Dongyun Kim：数据整理。Zahidul Islam：软件应用、定量分析、数据整理。Md Selim Reza：初稿撰写。Md Johurul Islam：审稿与编辑、初稿撰写、性能验证、软件应用、研究方法设计、定量分析、数据整理、概念构思。Ahmad Samad：软件应用、研究方法设计、数据整理。Jiwon Go：性能验证、软件应用、数据整理。Jae Yeong Park：审稿与编辑、初稿撰写、资源准备、未引用参考文献Guan等人，2020年；Zhang等人，2021年；Zhang等人，2021年。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。数据可用性数据可应要求提供。利益冲突声明? 作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了韩国贸易、工业和能源部资助的技术创新计划（RS-2022-00154983，旨在开发低功耗传感器及自充电电源，以实现自给自足的无线传感器平台）的支持，同时也获得了韩国警察技术研究院资助的研究项目（RS-2024-00406234，旨在开发用于现场响应的技术）的支持。