南科大林苑菁课题组在柔性微纳生物传感器与系统领域取得新进展

2024-09-06 科研聚焦 浏览量：2354

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，在柔性基底上以高度可控的方式集成多路传感器，实现长期可靠的生物传感，仍然是关键挑战。例如，电子织物凭借其卓越的舒适性、透气性和灵活性，在健康监测、运动追踪等领域展现出广阔的应用前景。然而，如何实现高灵敏度且可重复使用的织物基生物传感器，仍然面临诸多技术挑战。传统的可穿戴生物传感器通常依赖刚性材料或采用封装方式来保护传感器免受外界环境的影响，但这类方法往往导致透气性差、舒适度低、体积笨重等问题。此外，这些传感器在洗涤过程中容易出现功能损失，特别是在需要长期佩戴和频繁清洗的情况下，其耐用性和稳定性难以得到有效保障。

针对电化学传感器的水洗稳定性问题，林苑菁课题组与香港理工大学郑子剑教授课题组合作开发了耐水洗离子选择性传感器，创新性地将具备快离子传输特性的β-Bi₂O₃纳米片电化学沉积到离子选择层上，不仅显著提升了传感器的离子传导效率，还大幅增强了其对机械扰动和洗涤的抗性（图1）。该β-Bi₂O₃纳米片的引入，使得传感器在多次洗涤后仍能保持高灵敏度和可靠性，有效改善了以往技术在稳定性方面的不足。所开发的多种耐水洗传感器（钠离子、钾离子、酸碱度）能够精准监测汗液中的低浓度标志物浓度。即使在高达20次的洗涤后，其钠离子传感器的性能保持率仍然超过90%；传感器具备58.70 mV/dec的灵敏响应，在连续2.5小时的汗液监测过程中，信号漂移控制在3.85 mV/h以内。成果为织物基可穿戴设备的广泛应用开辟了新路径，也为移动健康监测和远程医疗提供了更加可靠且实用的解决方案。

图1. 基于β-Bi₂O₃纳米片修饰的耐水洗离子选择性传感器。

成果以“Washable textile biosensors enabled by nanostructured oxides with fast ion diffusion”为题发表于《Device》。南科大-港理工联合培养博士生师宇晴为论文第一作者是，南方科技大学林苑菁助理教授和香港理工大学郑子剑教授为共同通讯作者，南方科技大学为第一单位。研究工作得到国家自然科学基金、广东省、深圳市、香港RGC基金支持。

此外，针对多孔结构织物上难以实现高精度电极制备、高密度器件集成的挑战，合作团队结合聚合物辅助金属沉积、双面光刻等方法，实现了多孔织物上单片集成无线传感系统（图2）。该方法实现了100微米的织物电极制备精度，具备优异导电性、机械稳定性，并保留了织物的可洗性及透气透水性。利用该方法，可在织物上实现多层电子器件集成（如，双面温度传感器），以及可对葡萄糖、乳酸、电解质离子进行实时无线监测的全织物集成汗液传感头带，验证了其在医疗监测、健康追踪以及个性化医疗设备等领域的广泛应用潜力。以上研究成果为柔性集成系统的构筑提供了新思路。

图2. 高精度织物内光刻方法实现高性能、多模态集成电子织物。

成果以“Well-defined in-textile photolithography towards permeable textile electronics”为题发表于《Nature Communications》，入选亮点推荐论文（Editors’ Highlights, Featured article）。南科大-港理工联合培养博士生马小浩为共同第一作者，香港理工大学郑子剑教授、南方科技大学林苑菁助理教授、香港理工大学黄琪瑶助理教授为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、广东省、深圳市、香港RGC基金支持。

针对薄膜基底的柔性传感器件与系统制备，课题组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（图3）。通过对可印刷油墨配方和制造工艺的系统研究，团队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、GO X、AO X、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；喷墨打印过程中的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。所制备的可打印葡萄糖和酒精传感器的灵敏度分别达到 313.28 µA m M - 1 cm -2和 0.87 µA m M -1 cm -2，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，传感阵列中引入酸碱性（pH）与温度校准，提高低浓度生理指标成分分析的准确性。这种可穿戴集成生物传感系统的全印刷制造策略为柔性多模态传感器的可控制备提供新思路。

图3. 面向多模态皮上汗液分析的高灵敏度、高稳定性全打印生物传感阵列。

成果以 “Ultra-Sensitive and Stable Multiplexed Biosensors Array in Fully Printed and Integrated Platforms for Reliable Perspiration Analysis” 为题发表于《Advanced Materials》。南科大-港科大联合培养博士生马苏曼为第一作者，南方科技大学林苑菁助理教授、香港科技大学范智勇教授为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、广东省、深圳市、香港基金支持。

课题组受邀发表综述文章，系统介绍了面向无线健康监测的可打印、柔性集成传感系统的进展，讨论了微纳材料及器件的合成与构筑策略，总结了高兼容性、低成本、规模化的多功能电子器件制备与系统集成技术的应用前景与面临挑战。文章以“Printable and flexible integrated sensing systems for wireless healthcare” 为题发表于《Nanoscale》，并被选为封面文章。南方科技大学博士生周可蒙、本科生丁若辰（现为香港科技大学博士生）为共同第一作者，南方科技大学林苑菁助理教授为通讯作者，入选2024 Nanoscale Emerging Investigator。研究工作得到国家自然科学基金、广东省、深圳市基金支持。

论文链接：

论文1“Washable textile biosensors enabled by nanostructured oxides with fast ion diffusion”，https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00399-5

论文2“Well-defined in-textile photolithography towards permeable textile electronics”，https://www.nature.com/articles/s41467-024-45287-y

论文3 “Ultra-Sensitive and Stable Multiplexed Biosensors Array in Fully Printed and Integrated Platforms for Reliable Perspiration Analysis”，https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202311106

论文4“Printable and flexible integrated sensing systems for wireless healthcare” ，https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/nr/d3nr06099c/