西北工业大学材料学院文丹教授团队，机电学院虞益挺团队AC: 基于高孔隙率金气凝胶与柔性MEMS技术的高性能可穿戴传感平台

研究背景

可穿戴生化传感器是一种可以随时随地监测使用者身体生物化学等参数的传感器。准确、实时、便捷的检测人体生化指标更是临床医学、人体生理学等领域的重要研究基础，对于慢性病的检测与治疗意义重大。在可穿戴传感器与电子技术相结合后，开创了智能运动、智能医疗等新的应用领域，大大提高了人们的生活水平质量。然而，由于可穿戴生化传感器（葡萄糖、乳酸等）大多基于酶敏感电极，因此由于生物酶失活而造成传感器的寿命短是个亟待解决的问题。此外，可穿戴传感器的柔韧性与一致性也是制约其进一步实用化与商业化的重要因素。

成果简介

西北工业大学材料学院文丹教授课题组与机电学院虞益挺教授课题组，首次将具有高生物相容性、电催化活性和柔韧性的三维多孔金气凝胶，与具有高精度和大批量生产能力的柔性MEMS技术相结合，研制了一种高性能的可穿戴生物传感平台。以葡萄糖氧化酶为代表，所研制的葡萄糖传感器的灵敏度为10.51 µA mM^-1 cm^-2，长期稳定性超过15天，并用具有优异的选择性。在机械变形(0 ~ 90°)下，其性能几乎保持不变（偏差<1.84%）。通过无线或蓝牙模块，该可穿戴传感平台实现了对人体汗液中葡萄糖的实时、无创监测。此外，在同一传感平台上利用乳酸氧化酶也实现了乳酸的连续监测，进一步验证了该传感平台的通用性。上述成果以文丹教授课题组李光磊博士后为第一作者，文丹教授与虞益挺教授为共同通讯作者，以“Integrating Highly Porous and Flexible Au Hydrogels with Soft-MEMS Technologies for High-Performance Wearable Biosensing”为题于2021年10月12日 在Analytical Chemistry上在线发表。  

图文导读

图1 金气凝胶的柔韧性与微观形貌

所制备金气凝胶优异的柔韧性源于它的链状互联结构，使其在发生形变之后不会破坏内部的微观结构。此外，SEM表征图片下可以看到金气凝胶呈现疏松多孔结构，这种结构可以使金气凝胶更好地附载生物酶，提高传感器的灵敏度与稳定性。

图2 柔性MEMS芯片的制备流程以及可穿戴传感器的示意图

可穿戴传感器的敏感芯片基底利用光刻，蒸发等MEMS工艺，在柔性基底(PET)上制备而成。然后利用物理吸附的方法将金气凝胶与生物酶对基底进行功能化修饰。由于电极基底以及气凝胶的双重柔韧性，使所制备的可穿戴传感器敏感电极能更大限度地承受应力，提高检测的准确性。

图3 可穿戴传感器敏感电极的性能

通过CV曲线可以看到所研制的柔性敏感电极对葡萄糖具有明显的响应。而且传感器的线性度、选择性和长期稳定性都十分优秀。

图4 传感器的柔韧性

在不同的弯曲角度下，传感器的灵敏度都基本保持不变，这得益于金气凝胶高度的柔韧性。

图5 汗液中葡萄糖的实时监测

将传感器佩戴在志愿者的头部。在运动过后，可对其汗液中的葡萄糖浓度进行检测。结合wifi模块与蓝牙模块，可实现远程实时监测。

图6 乳酸的实时监测

利用金气凝胶附载乳酸氧化酶，可制备成可穿戴乳酸传感器，同样可实现人体汗液中乳酸的实时监测。

小结

上述研究为气凝胶材料首次与MEMS技术结合并应用于可穿戴传感领域。金气凝胶的高催化性能、孔隙率以及柔韧性，结合MEMS技术的高精度与可批量化生产的特点，显著地提高了传感器的灵敏度、稳定性和一致性。此外，敏感电极的制作成本也得到了大幅度降低，有利于可穿戴生化传感器的商业化与更广泛应用。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.1c01581