用于非酶葡萄糖传感的银表面改性 TiO2 纳米管

非酶葡萄糖传感已成为生物医学应用中实现可靠、稳定检测的一种前景广阔的策略。在本研究中，研究人员开发了经薄层银（Ag）膜修饰的二氧化钛纳米管（TiO₂NTs），以提升电化学葡萄糖传感性能。TiO₂NTs 通过电化学阳极氧化法制备，随后采用射频（RF）磁控溅射（magnetron sputtering）沉积 Ag，并对其结构、形貌及光学性质进行了表征。电化学测量表明，Ag 的引入可通过促进金属-半导体界面处的电荷转移而显著增强葡萄糖氧化响应。Ag-TiO₂NTs 电极表现出较高灵敏度 288.48 μA cm⁻² mM⁻¹、较低检测限 0.03 μM，以及 0.2–2.8 mM 的线性范围，性能优于未修饰的 TiO₂NTs。此外，该传感器还表现出良好的工作稳定性、优异的重复性以及在常见干扰物存在下的高选择性。较低的检测限和适宜的工作范围表明，其有望应用于汗液和唾液等无创生物体液中的葡萄糖监测。总体而言，本研究强调了表面改性与界面工程在提升 TiO₂ 基电化学传感器性能中的关键作用，并为非酶葡萄糖检测提供了一种可行平台。

该论文发表于《Results in Surfaces and Interfaces》，围绕 TiO₂ 纳米管（titanium dioxide nanotubes, TiO₂NTs）非酶葡萄糖传感性能受限这一核心问题展开。糖尿病患病人数持续增长，使连续、可靠的葡萄糖监测成为疾病管理的重要基础。传统酶型葡萄糖传感器虽具有较高选择性，但受限于葡萄糖氧化酶稳定性不足、易变性、制备条件苛刻以及固定化成本高等问题，难以兼顾长期稳定应用。基于此，非酶电化学传感因依赖电极表面的直接电催化氧化而受到重视。TiO₂NTs 具有高度有序的一维结构、大比表面积、优良化学稳定性和生物相容性，适于构建生物分析界面，但其本征导电性偏低，电子传输能力有限，导致灵敏度受约束。研究人员因此尝试通过贵金属表面修饰来改善 TiO₂ 的电荷转移动力学，尤其选择兼具高导电性与催化活性的 Ag，以增强葡萄糖氧化响应。同时，既有 Ag 修饰方法多依赖化学或电化学沉积，往往存在颗粒团聚、附着力弱、界面一致性差的问题，进而影响重现性与长期可靠性。因此，本研究以 RF 磁控溅射构筑定义明确、附着牢固的 Ag/TiO₂ 金属-半导体界面，旨在系统提升非酶葡萄糖检测的灵敏度、稳定性和重复性，并评估其在汗液、唾液等无创体液葡萄糖监测中的潜力。

作者采用的关键技术方法主要包括以下几类：首先，以钛片为基底，通过电化学阳极氧化制备 TiO₂NTs 阵列，并经退火获得稳定纳米管结构；随后采用 RF 磁控溅射在 TiO₂NTs 表面沉积 Ag 薄膜，构建 Ag-TiO₂NTs 复合电极。结构与表面分析方面，使用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线谱（EDS）、X 射线光电子能谱（XPS）、X 射线衍射（XRD）和漫反射紫外-可见光谱评估材料形貌、元素组成、化学态、晶体结构和光学带隙。电化学性能方面，采用循环伏安法（CV）、计时安培法（chronoamperometry）和电化学阻抗谱（EIS）在磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.0）中考察葡萄糖氧化行为、线性响应、灵敏度、检测限、选择性、重复性与储存稳定性；样本体系为 PBS 中构建的葡萄糖及干扰物模型体系，未涉及真实生物样本队列。

3.1. SEM analysis
研究人员首先通过 SEM 分析 TiO₂NTs 与 Ag-TiO₂NTs 的形貌特征。结果显示，TiO₂NTs 呈现规则排列的开口纳米管阵列，平均管径为 87.97 ± 10.28 nm，平均长度约 5.92 ± 1.11 μm，这种有序管状结构有利于增大电活性表面积并促进电解液渗透。Ag 修饰后，表面并未形成完全连续的覆盖层，而呈现岛状/团簇状分布，平均特征尺寸为 84.57 ± 11.24 nm，但仍能保持纳米管开口结构。EDS 进一步证实未修饰样品主要含 Ti 和 O，而修饰样品额外检测到 Ag，Ag 原子分数为 2.39 at%，说明 Ag 已受控引入且未破坏 TiO₂ 纳米管的基础组成。研究人员据此认为，Ag 与纳米管壁的紧密接触为后续界面电荷转移和葡萄糖电催化氧化提供了结构基础。

3.2. XPS
XPS 用于解析 Ag 的表面化学态。结果表明，样品表面 Ag 3d 谱包含 Ag₂O 与金属 Ag 的双重贡献，说明暴露空气后 Ag 薄膜表层形成了薄氧化层；经 Ar⁺ 溅射 30 s 后，仅保留金属 Ag 特征峰，表明氧化主要局限于最外层，而体相 Ag 仍以金属态存在。该结果说明 RF 磁控溅射制得的 Ag 层主体保持金属性，这对于提高电子导通能力和促进界面电子传递具有重要意义。

3.3. XRD
XRD 结果显示，基底 Ti 呈六方晶结构，Ag 薄膜呈立方晶结构，TiO₂NTs 呈四方晶相。Ag-TiO₂NTs 复合电极同时出现 Ti、Ag 与 TiO₂ 相关衍射峰，且未见二次相，说明材料具有较高相纯度和良好结构稳定性。由于 Ag(111) 主峰与 Ti 基底及 TiO₂ 的峰存在重叠，仅凭 XRD 难以单独确认 Ag，但结合 EDS 与 XPS，可共同证明 Ag 已成功引入 TiO₂NTs 表面。

3.4. Optical properties of TiO₂NTs and Ag-TiO₂NTs
光学表征显示，与 TiO₂NTs 相比，Ag-TiO₂NTs 在可见光区反射率出现轻微变化，研究人员将其归因于 Ag 引起的局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）效应。带隙分析表明，TiO₂NTs 的表观带隙为 3.20 eV，Ag 修饰后降至 3.10 eV，并出现吸收边红移。论文指出，这并不代表 TiO₂ 本征带隙真正变窄，而更可能源于 Ag 诱导的界面电子态及等离子体效应增强了低光子能量下的吸收。该结果从光学侧面支持了 Ag-TiO₂ 界面电子结构发生改变。

3.5. Electrochemical measurements
这是论文的核心部分。CV 结果显示，在 PBS（pH 7.0）中加入葡萄糖后，两类电极的阳极电流均明显上升，证明其具有非酶电催化葡萄糖氧化能力。TiO₂NTs 与 Ag-TiO₂NTs 的氧化峰分别位于约 −0.79 V 与 −0.59 V，Ag 修饰使电位正移并增强电流响应，表明其改善了界面电荷转移行为。研究人员提出，Ag-TiO₂NTs 上葡萄糖氧化经历表面介导电子转移过程：首先形成 AgOH/Ag₂O 等电活性银物种，随后葡萄糖被氧化为葡糖酸内酯并伴随电子转移，最终进一步水解为葡糖酸盐；Ti 主要保持 Ti(IV) 状态，作为半导体支撑体促进电子输运。

扫描速率研究显示，两种电极的峰电流与扫描速率平方根呈良好线性关系，说明过程受扩散控制。基于 Randles-Ševčík 方程计算，TiO₂NTs 和 Ag-TiO₂NTs 的电活性表面积分别约为 0.010 cm² 和 0.039 cm²，表明 Ag 的引入显著增加了可利用活性位点并增强了界面传输能力。

EIS 结果进一步支持上述结论。Ag-TiO₂NTs 的 Nyquist 半圆直径明显小于 TiO₂NTs，提示界面电荷转移电阻下降。等效电路拟合表明，未修饰样品适合用双时间常数模型描述，而 Ag 修饰后需要三时间常数模型，其中新增的 R₃||CPE₃ 元件反映了 Ag 表面新形成的电活性界面。拟合得到的界面电阻由 1.38 kΩ 降至 1.02 kΩ，说明 Ag 有效促进了电子传输和界面反应动力学。

计时安培分析直接给出了传感性能。随着葡萄糖浓度从 0 增至 2.8 mM，两种电极均呈现阶梯式、比例性电流增加，Ag-TiO₂NTs 的响应更高。TiO₂NTs 的灵敏度为 100.00 μA cm⁻² mM⁻¹，检测限为 0.06 μM；Ag-TiO₂NTs 的灵敏度提高至 288.48 μA cm⁻² mM⁻¹，检测限降低至 0.03 μM，二者在线性范围内均表现出 R² = 0.999 的优良线性。论文强调，尽管该线性区间较部分血糖传感文献更窄，但其目标应用是葡萄糖浓度较低的汗液和唾液，因此所选区间具有应用针对性。

3.5.4. Interference study
在选择性测试中，研究人员加入半胱氨酸（Cys）、抗坏血酸（AA）、组氨酸（His）、尿酸（UA）和蔗糖等常见干扰物。结果显示，两种电极在加入 2.4 mM 葡萄糖时均产生显著电流响应，而加入各干扰物后仅有极小信号波动，说明在 pH 7.0 条件下对葡萄糖具有良好辨识能力。论文指出，该结果支持其在无创体液检测中的潜在应用。

3.5.5. Reproducibility and stability
在重复性方面，四个独立制备电极的计时安培结果显示，TiO₂NTs 和 Ag-TiO₂NTs 的相对标准偏差（RSD）分别为 0.66 % 和 0.33 %，表明制备一致性较好。长期稳定性测试持续 15 天，TiO₂NTs 与 Ag-TiO₂NTs 分别保留 93.89 % 和 96.80 % 的初始响应，说明二者均具有良好的储存与运行稳定性，其中 Ag 修饰电极表现更优。

综合讨论部分可以看出，论文的中心结论是：TiO₂NTs 提供了高比表面积和有序电荷传输通道，而 RF 磁控溅射引入的 Ag 薄膜通过构建稳定、均一且附着牢固的金属-半导体界面，显著降低界面电阻、增加电活性面积并提升葡萄糖电催化氧化效率。与传统 Ag 纳米颗粒修饰路径相比，该策略在界面可控性、重现性和薄膜均匀性方面具有方法学优势。文章同时保持审慎，明确指出尚未进行真实唾液和汗液样本验证，因此实际生物基质中的基体效应、生物污染及组分波动仍需后续研究评估。

研究结论部分可译述为：本研究成功制备并系统评估了两种基于 TiO₂ 纳米管阵列的非酶葡萄糖传感器，即 TiO₂NTs 和 Ag-TiO₂NTs。管状 TiO₂ 结构提供了高效电荷传输通道和较大活性表面积，有利于电极-电解质界面上的快速电子转移与氧化还原反应。Ag 薄膜的引入进一步改善了电极的电子导电性和表面反应活性，从而增强了葡萄糖氧化的电催化性能。TiO₂NTs 和 Ag-TiO₂NTs 分别在 −0.79 V 和 −0.59 V 下工作，均表现出稳定且清晰的安培响应。两种材料在 0.2–2.8 mM 葡萄糖浓度范围内均具有良好线性，其中 Ag 修饰电极产生了更高的电流密度和更大的灵敏度。这些改进归因于 Ag-TiO₂ 界面增强的载流子传输和界面电荷转移过程。选择性测试表明，在生理 pH 条件下，Cys、AA、His、UA 和蔗糖等常见干扰物相对于葡萄糖仅引起可忽略的电流响应，证明其具有优异的区分能力。此外，两种电极在连续运行和延长储存过程中均表现出良好的稳定性和重复性。总体来看，研究结果突出了表面改性与界面工程在调控 TiO₂ 纳米管电化学性质中的作用，并证明其作为高效非酶传感平台的潜力。未来工作将进一步在真实唾液和汗液样本中验证传感器性能，以支持其在无创葡萄糖监测中的实际应用。