用于原位监测汗液标志物的全打印、多模态可穿戴生物传感器阵列

电化学生物传感器已成为通过非侵入性汗液分析来跟踪人体生理动态的有前途的工具。然而，以高度可控的方式集成多路传感器以实现长期可靠的生物传感，仍然是关键挑战。

为了解决这一问题，南方科技大学林苑菁助理教授联合香港科技大学范智勇教授团队开发了一种基于完全喷墨打印的可穿戴柔性集成系统，实现超高灵敏及稳定性的多模态生物传感阵列。该方法充分优化了喷墨打印的墨水配方，以确保器件良率，并精确优化活性层厚度。值得关注的是，液滴辅助工艺可以在层之间产生无缝且均匀的渗透型界面，从而极大提高传感器功能材料层之间的机械稳定性和电子传输。打印的葡萄糖和酒精传感器的灵敏度分别达到313.28 µA/mM/cm²和0.87 µA/mM/cm²，并可实现长达30小时的连续汗液监测，是目前基于喷墨打印的酶基传感器最优的性能之一。

此外，阵列中引入酸碱性（pH）与温度校准，提高汗液成分分析的准确性。该研究以“Ultra-Sensitive and Stable Multiplexed Biosensors Array in Fully Printed and Integrated Platforms for Reliable Perspiration Analysis”题为发表在《Advanced Materials》期刊上。

图1 用于多模态表皮汗液分析的全打印集成系统示意图与实物图

打印材料和打印层的合成和优化

研究人员对合成的微纳米材料复合墨水的进行了优化，包括Ag、Au、PB、PANI、Graphene、GOx、AOx、PVB、Nafion和UV epoxy油墨，以满足喷墨打印的表面张力和粘度等方面的要求。可以观察到材料沉积的均匀性和独特的渗透型界面。



图2 用于传感器制造的喷墨打印油墨的表征  

传感器阵列系统的优化和表征

为了在最小漂移的情况下实现超高灵敏度和稳定性，可打印材料的载量经过仔细优化。葡萄糖传感器的提取灵敏度在20 ~ 200 µM的线性响应范围内达到313.28 µA/mM/cm²，满足了汗液血糖监测的要求。酒精传感器在5 ~ 30 mM范围内提供0.87 µA/mM/cm²的最佳灵敏度。同时，葡萄糖与酒精传感器均表现出良好的选择性。由于葡萄糖与酒精氧化酶活性会受到pH和温度的影响，因此对不同温度和不同pH下对传感器性能进行系统研究，以方便阵列内生物信号校准。用PANI纳米线和石墨烯量子点修饰的高选择性pH传感器在人体汗液pH范围中表现出71.125 mV/decade的灵敏度，同时温度传感器的灵敏度为1.098 Ω/°C。高可控性的喷墨打印工艺还极大保证了传感器阵列的性能一致性。

此外，传感器阵列具有极高的机械稳定性及电化学稳定性。使用重复弯曲和粘附测试来测试喷墨打印传感器的机械稳定性。经过500次135°弯曲后，机械应力对传感器分析性能的干扰小于3%。传感器可实现连续监测不同浓度的人工汗液长达30小时，葡萄糖、酒精和pH传感器的信号漂移约为0.08 µA/h、0.06 µA/h和0.09 mV/h。

图3 全打印多路传感器的实验特性，包括传感器灵敏度、选择性以及酶基传感器对pH值和温度变化的相关性

图4 全打印柔性传感器阵列的再现性、可弯曲性和稳定性评估

传感器系统的可靠性验证与原位汗液监测

为了评估了集成传感器系统消除传感器串扰的能力，采用人工汗液（含有NCl、NH₄Cl、KCl、Urea的PBS溶液）进行不同浓度与pH测试，结果显示，从传感器阵列获得的测试值与单个传感器获得的测试值具有高度一致性。另外，在真实汗液样本中，阵列内生物信号校准的准确度超过98%，表明喷墨打印传感器系统的可靠性。

图5 使用人工汗液与真实汗液对系统进行可靠性评估

系统随后被应用于可穿戴原位汗液监测。对两名受试者进行饮食后（包含饮用可乐及饮酒），对汗液葡萄糖、酒精、pH和表皮温度进行实时监测。结果表明汗液中的葡萄糖和酒精会受到摄入量的显著影响。

图6 使用传感器系统进行体内实时表皮汗液分析与手机用户界面

综上所述，研究团队采用全喷墨打印的方法，通过对可打印油墨配方和制造工艺的系统研究，构建了独特且均匀的渗透型界面。因此，实现了超高灵敏度的酶基传感器，抑制了信号漂移，实现连续监测的稳定性及器件使用寿命。此外，通过阵列内生物信号校准，考虑到pH值和温度变化的影响。这种构建可穿戴集成生物传感系统的全打印制造策略将为多模态传感器的可控制备提供新思路，以此促进智能的个性化医疗、预诊断和医疗物联网技术的发展。

论文链接：

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

审核编辑：刘清