汗液作为一种非侵入性生物样本，富含人体代谢物，是洞察个体健康状况的宝贵窗口。然而，现有的汗液监测技术往往缺乏实时性，无法满足复杂运动环境下的健康监测需求。柔性电子是一类能够与人体皮肤等柔软生物组织无缝贴合的电子设备，具有轻便、柔软、可拉伸等特点，在动态监测生理信号方面展现出巨大潜力。与传统的刚性电子设备相比，柔性电子能够更好地适应人体的动态变化，提供稳定、舒适的使用体验，已被广泛应用于健康监测、康复治疗、智能医疗设备等领域，成为未来医疗保健的重要发展方向。
金属有机框架（MOF）是一种由金属离子或簇与有机配体组成的高度有序的多孔晶体，因其可调的结构和丰富的功能性，被认为是理想的生物传感材料。然而，MOF材料的机械脆性和导电性能欠佳，限制了它们在柔性电子中的应用。将MOF与导电聚合物或金属纳米颗粒相结合，制备MOF复合材料，可大幅提升其电化学性能和机械柔性，使其能够更广泛地应用于柔性可穿戴设备中。
据麦姆斯咨询介绍，之江实验室凌伟和唐弢等人报道了一种基于铜基金属有机框架（Cu-MOF）与聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）复合材料的柔性生物传感器，可用于汗液抗坏血酸水平的实时连续监测。相关成果以“A skin-mountable flexible biosensor based on Cu-MOF/PEDOT composites for sweat ascorbic acid monitoring”为题发表在国际生物传感器权威期刊Biosensors and Bioelectronics上。之江实验室高级研究专员凌伟为论文的第一作者兼通讯作者，唐弢副研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、浙江省“尖兵”计划项目和之江实验室揭榜挂帅项目的资助。
研究的主要内容
本工作构建了一个微型化集成式柔性生物传感器，可用于汗液抗坏血酸水平的实时监测。该传感器集成了三电极体系的电化学探针，用于数据处理和收发的无线电路，以及具有蛇形可拉伸结构的金属互联，总体积为28.0 × 11.5 × 2.4 mm³（图1）。通过电化学聚合技术，实现了Cu-MOF/PEDOT复合材料在工作电极上的原位集成，并进一步利用壳聚糖进行表面修饰，以优化其生物相容性。当该器件用于抗坏血酸的传感时，MOF中的二价铜Cu(II)作为活性位点，能够有效氧化抗坏血酸，生成去氢抗坏血酸（DHAA），从而实现对汗液中抗坏血酸浓度的精确量化。该柔性电化学探针由多层聚合物及金属堆叠而成，总厚度仅0.1 mm，具有优异的机械拉伸性和生物相容性，可紧密贴附于柔软皮肤，用于日常生活中汗液抗坏血酸水平的动态监测。
图1 该皮肤贴附式柔性生物传感器的系统结构、工作机理及应用示例
本工作进一步分析了该生物传感器的结构特性和电化学性能（图2）。所合成的Cu-MOF晶体的尺寸范围从几十纳米到几微米，修饰后显著增加了电极的比表面积，为与抗坏血酸分子的相互作用提供了丰富的活性位点。通过原位聚合将PEDOT膜锚定在分散的MOF颗粒之间，构建了一个连续的导电网络，促进了氧化还原过程中的电子传递。X射线衍射（XRD）和拉曼光谱结果显示，Cu-MOF/PEDOT复合材料具有良好的相容性，未出现晶体结构的变化或坍塌。电化学实验表明，与纯Au和Cu-MOF单独修饰的电极相比，Cu-MOF/PEDOT复合材料的电活性表面积从4.99 mm²增加到22.83 mm²，大幅提升了器件的电化学性能，为实际应用中的高精度、高灵敏度监测提供了有力支撑。
图2 该生物传感器的结构特性和电化学性能研究
随后，本工作进一步表征了该柔性生物传感器对抗坏血酸的传感性能（图3）。该传感器对汗液中低浓度的抗坏血酸具有优异的灵敏度和特异性。引入Cu-MOF/PEDOT复合材料后，该传感器的灵敏度提高至51.3 μA/mM，约为纯金电极的27倍，检测限达到0.76 μM，反应时间小于10秒，展现出优异的催化性能和实时监测的可行性。此外，传感器对干扰物质如离子、葡萄糖和多巴胺的响应微弱，仅对尿酸表现出轻微响应，表明其对抗坏血酸具有较高的选择性。该传感器在连续三次测量中的灵敏度偏差约为5.1%，并可通过在搅拌的PBS溶液中浸泡5分钟来有效缓解因高孔隙率导致的生物分子滞留问题，确保其长期连续监测的可重复性。
图3 该生物传感器对抗坏血酸的传感性能分析
为了实现汗液中抗坏血酸的无线实时监测，本工作还开发了一个便携的无线电路，尺寸仅1.35 × 1.15 × 0.24 cm³（图4）。通过与高效液相色谱-高分辨质谱（HPLC-HRMS）这一金标准方法的对比验证，该传感器展现出了与标准设备一致的检测趋势，进一步确认了其准确性和可靠性。人体实验中，受试者服用维生素C后，汗液中抗坏血酸浓度从约9 μM迅速升至20 μM以上，并在随后的几小时内逐渐下降，反映了维生素C的代谢周期。此外，30分钟的运动试验显示，抗坏血酸浓度在运动初期快速上升，随后稳定，并在15分钟后逐渐下降，展示了该传感器的实时监测能力。此外，该传感器所采用的PU膜材料具有优异的水汽透过性，确保了长时间佩戴下的舒适性和透气性。在长达36小时的佩戴实验中，未观察到任何红肿或炎症反应，充分证明了该传感器良好的生物相容性，为其在长期汗液监测中的应用提供了有力保障。
图4 该生物传感器在人体汗液监测中的应用示例
小结
本工作开发了一种基于Cu-MOF/PEDOT复合材料的皮肤贴附式柔性生物传感器，能够实时、高灵敏地监测汗液中的抗坏血酸浓度。传感器通过无线便携电路实现在体监测，并在人工和真实汗液中表现出较高的准确性和可靠性。人体试验进一步验证了其在营养代谢和持续运动中的应用潜力，能够有效监测汗液抗坏血酸浓度的动态变化。此外，传感器具有良好的生物相容性和稳定性，适合长时间佩戴，为个性化健康管理和疾病预防提供了一种创新的解决方案。
https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116852
延伸阅读：
《雅培辅理善瞬感持续血糖监测传感器产品分析》
《基于拉曼光谱的血糖监测专利态势分析-2024版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
