電化學(xué)生物傳感器已成為通過非侵入性汗液分析來跟蹤人體生理動(dòng)態(tài)的有前途的工具。然而，以高度可控的方式集成多路傳感器以實(shí)現(xiàn)長期可靠的生物傳感，仍然是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

為了解決這一問題，南方科技大學(xué)林苑菁助理教授聯(lián)合香港科技大學(xué)范智勇教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于完全噴墨打印的可穿戴柔性集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超高靈敏及穩(wěn)定性的多模態(tài)生物傳感陣列。該方法充分優(yōu)化了噴墨打印的墨水配方，以確保器件良率，并精確優(yōu)化活性層厚度。值得關(guān)注的是，液滴輔助工藝可以在層之間產(chǎn)生無縫且均勻的滲透型界面，從而極大提高傳感器功能材料層之間的機(jī)械穩(wěn)定性和電子傳輸。打印的葡萄糖和酒精傳感器的靈敏度分別達(dá)到313.28 μA/mM/cm2和0.87 μA/mM/cm2，并可實(shí)現(xiàn)長達(dá)30小時(shí)的連續(xù)汗液監(jiān)測，是目前基于噴墨打印的酶基傳感器最優(yōu)的性能之一。

此外，陣列中引入酸堿性（pH）與溫度校準(zhǔn)，提高汗液成分分析的準(zhǔn)確性。該研究以“Ultra-Sensitive and Stable Multiplexed Biosensors Array in Fully Printed and Integrated Platforms for Reliable Perspiration Analysis”題為發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。

圖1 用于多模態(tài)表皮汗液分析的全打印集成系統(tǒng)示意圖與實(shí)物圖

打印材料和打印層的合成和優(yōu)化

研究人員對(duì)合成的微納米材料復(fù)合墨水的進(jìn)行了優(yōu)化，包括Ag、Au、PB、PANI、Graphene、GOx、AOx、PVB、Nafion和UV epoxy油墨，以滿足噴墨打印的表面張力和粘度等方面的要求。可以觀察到材料沉積的均勻性和獨(dú)特的滲透型界面。



圖2 用于傳感器制造的噴墨打印油墨的表征

傳感器陣列系統(tǒng)的優(yōu)化和表征

為了在最小漂移的情況下實(shí)現(xiàn)超高靈敏度和穩(wěn)定性，可打印材料的載量經(jīng)過仔細(xì)優(yōu)化。葡萄糖傳感器的提取靈敏度在20 ~ 200μM的線性響應(yīng)范圍內(nèi)達(dá)到313.28 μA/mM/cm2，滿足了汗液血糖監(jiān)測的要求。酒精傳感器在5 ~ 30 mM范圍內(nèi)提供0.87 μA/mM/cm2的最佳靈敏度。同時(shí)，葡萄糖與酒精傳感器均表現(xiàn)出良好的選擇性。由于葡萄糖與酒精氧化酶活性會(huì)受到pH和溫度的影響，因此對(duì)不同溫度和不同pH下對(duì)傳感器性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，以方便陣列內(nèi)生物信號(hào)校準(zhǔn)。用PANI納米線和石墨烯量子點(diǎn)修飾的高選擇性pH傳感器在人體汗液pH范圍中表現(xiàn)出71.125 mV/decade的靈敏度，同時(shí)溫度傳感器的靈敏度為1.098 Ω/°C。高可控性的噴墨打印工藝還極大保證了傳感器陣列的性能一致性。

此外，傳感器陣列具有極高的機(jī)械穩(wěn)定性及電化學(xué)穩(wěn)定性。使用重復(fù)彎曲和粘附測試來測試噴墨打印傳感器的機(jī)械穩(wěn)定性。經(jīng)過500次135°彎曲后，機(jī)械應(yīng)力對(duì)傳感器分析性能的干擾小于3%。傳感器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測不同濃度的人工汗液長達(dá)30小時(shí)，葡萄糖、酒精和pH傳感器的信號(hào)漂移約為0.08 μA/h、0.06 μA/h和0.09 mV/h。

圖3 全打印多路傳感器的實(shí)驗(yàn)特性，包括傳感器靈敏度、選擇性以及酶基傳感器對(duì)pH值和溫度變化的相關(guān)性

圖4 全打印柔性傳感器陣列的再現(xiàn)性、可彎曲性和穩(wěn)定性評(píng)估

傳感器系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證與原位汗液監(jiān)測

為了評(píng)估了集成傳感器系統(tǒng)消除傳感器串?dāng)_的能力，采用人工汗液（含有NCl、NH?Cl、KCl、Urea的PBS溶液）進(jìn)行不同濃度與pH測試，結(jié)果顯示，從傳感器陣列獲得的測試值與單個(gè)傳感器獲得的測試值具有高度一致性。另外，在真實(shí)汗液樣本中，陣列內(nèi)生物信號(hào)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度超過98%，表明噴墨打印傳感器系統(tǒng)的可靠性。

圖5 使用人工汗液與真實(shí)汗液對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估

系統(tǒng)隨后被應(yīng)用于可穿戴原位汗液監(jiān)測。對(duì)兩名受試者進(jìn)行飲食后（包含飲用可樂及飲酒），對(duì)汗液葡萄糖、酒精、pH和表皮溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。結(jié)果表明汗液中的葡萄糖和酒精會(huì)受到攝入量的顯著影響。

圖6 使用傳感器系統(tǒng)進(jìn)行體內(nèi)實(shí)時(shí)表皮汗液分析與手機(jī)用戶界面

綜上所述，研究團(tuán)隊(duì)采用全噴墨打印的方法，通過對(duì)可打印油墨配方和制造工藝的系統(tǒng)研究，構(gòu)建了獨(dú)特且均勻的滲透型界面。因此，實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度的酶基傳感器，抑制了信號(hào)漂移，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測的穩(wěn)定性及器件使用壽命。此外，通過陣列內(nèi)生物信號(hào)校準(zhǔn)，考慮到pH值和溫度變化的影響。這種構(gòu)建可穿戴集成生物傳感系統(tǒng)的全打印制造策略將為多模態(tài)傳感器的可控制備提供新思路，以此促進(jìn)智能的個(gè)性化醫(yī)療、預(yù)診斷和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202311106

審核編輯：劉清