西北工業大學材料學院文丹教授團隊，機電學院虞益挺團隊AC: 基于高孔隙率金氣凝膠與柔性MEMS技術的高性能可穿戴傳感平臺

研究背景

可穿戴生化傳感器是一種可以隨時隨地監測使用者身體生物化學等參數的傳感器。準確、實時、便捷的檢測人體生化指標更是臨床醫學、人體生理學等領域的重要研究基礎，對于慢性病的檢測與治療意義重大。在可穿戴傳感器與電子技術相結合后，開創了智能運動、智能醫療等新的應用領域，大大提高了人們的生活水平質量。然而，由于可穿戴生化傳感器（葡萄糖、乳酸等）大多基于酶敏感電極，因此由于生物酶失活而造成傳感器的壽命短是個亟待解決的問題。此外，可穿戴傳感器的柔韌性與一致性也是制約其進一步實用化與商業化的重要因素。

成果簡介

西北工業大學材料學院文丹教授課題組與機電學院虞益挺教授課題組，首次將具有高生物相容性、電催化活性和柔韌性的三維多孔金氣凝膠，與具有高精度和大批量生產能力的柔性MEMS技術相結合，研制了一種高性能的可穿戴生物傳感平臺。以葡萄糖氧化酶為代表，所研制的葡萄糖傳感器的靈敏度為10.51?μA?mM^-1?cm^-2，長期穩定性超過15天，并用具有優異的選擇性。在機械變形(0 ~ 90°)下，其性能幾乎保持不變（偏差<1.84%）。通過無線或藍牙模塊，該可穿戴傳感平臺實現了對人體汗液中葡萄糖的實時、無創監測。此外，在同一傳感平臺上利用乳酸氧化酶也實現了乳酸的連續監測，進一步驗證了該傳感平臺的通用性。上述成果以文丹教授課題組李光磊博士后為第一作者，文丹教授與虞益挺教授為共同通訊作者，以“Integrating Highly Porous and Flexible Au Hydrogels with Soft-MEMS Technologies for High-Performance Wearable Biosensing”為題于2021年10月12日 在Analytical?Chemistry上在線發表。??

圖文導讀

圖1?金氣凝膠的柔韌性與微觀形貌

所制備金氣凝膠優異的柔韌性源于它的鏈狀互聯結構，使其在發生形變之后不會破壞內部的微觀結構。此外，SEM表征圖片下可以看到金氣凝膠呈現疏松多孔結構，這種結構可以使金氣凝膠更好地附載生物酶，提高傳感器的靈敏度與穩定性。

圖2 柔性MEMS芯片的制備流程以及可穿戴傳感器的示意圖

可穿戴傳感器的敏感芯片基底利用光刻，蒸發等MEMS工藝，在柔性基底(PET)上制備而成。然后利用物理吸附的方法將金氣凝膠與生物酶對基底進行功能化修飾。由于電極基底以及氣凝膠的雙重柔韌性，使所制備的可穿戴傳感器敏感電極能更大限度地承受應力，提高檢測的準確性。

圖3?可穿戴傳感器敏感電極的性能

通過CV曲線可以看到所研制的柔性敏感電極對葡萄糖具有明顯的響應。而且傳感器的線性度、選擇性和長期穩定性都十分優秀。

圖4 傳感器的柔韌性

在不同的彎曲角度下，傳感器的靈敏度都基本保持不變，這得益于金氣凝膠高度的柔韌性。

圖5 汗液中葡萄糖的實時監測

將傳感器佩戴在志愿者的頭部。在運動過后，可對其汗液中的葡萄糖濃度進行檢測。結合wifi模塊與藍牙模塊，可實現遠程實時監測。

圖6 乳酸的實時監測

利用金氣凝膠附載乳酸氧化酶，可制備成可穿戴乳酸傳感器，同樣可實現人體汗液中乳酸的實時監測。

小結

上述研究為氣凝膠材料首次與MEMS技術結合并應用于可穿戴傳感領域。金氣凝膠的高催化性能、孔隙率以及柔韌性，結合MEMS技術的高精度與可批量化生產的特點，顯著地提高了傳感器的靈敏度、穩定性和一致性。此外，敏感電極的制作成本也得到了大幅度降低，有利于可穿戴生化傳感器的商業化與更廣泛應用。

全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.1c01581?