一種微型可穿戴皮膚界面智能石墨烯納米電子（SIGN）貼片

汗液自身包含了豐富的與個人健康狀況密切相關的生物化學信息，因此通過汗液可以對深入的身體生理狀態進行無創監測。由于能夠測量汗液中濃度動態波動的生物化學標志物，可穿戴生物化學傳感器在個人疾病診斷中具有重要意義，而且它可以為個性化醫療、體能監測和疾病預診斷等主要領域的各種應用提供全面的分子信息，受到了廣泛的關注。近年來，各種可穿戴生物化學傳感器已被證明可用于檢測汗液生物標志物。遺憾的是，絕大多數現有的皮膚適形可穿戴傳感器通常是直接連貼在人體皮膚上使用，并且由于天然汗液分泌有限和快速蒸發等原因，器件總是不能快速收集足夠量的汗液樣本。此外，汗液雜質生物污垢和接觸摩擦也會降低傳感器的耐用性、檢測精度和靈敏度。

近期，北京航空航天大學郝壯副教授，哈爾濱工業大學潘昀路教授、李斐然副教授，沈陽航空航天大學馬爽講師與合作者研發了一種微型可穿戴皮膚界面智能石墨烯納米電子（SIGN）貼片，該貼片采用了一種新型Janus膜集成表面潤濕性可切換微流控模塊，具有自主汗液采樣和凈化功能，可用于汗液生物標志物的原位分析。該研究以“Intelligent Wearable Graphene Nano-electronics with Switchable Surface Wettability Capabilities for Autonomous Sweat Enrichment-Purification-Analysis”為題發表在Advanced Functional Materials期刊上。北京航空航天大學為論文的第一完成單位，北京航空航天大學、哈爾濱工業大學和沈陽航空航天大學為論文的共同通訊單位。

SIGN貼片的組成與功能

該SIGN貼片采用電解質柵極-石墨烯晶體管作為信號轉換平臺，與現有的生物標志物電化學檢測方法相比，石墨烯晶體管具有反應快、靈敏度高、生化功能化簡單等優點。由于完全集成和小型化的平面電解質柵極結構，可以在襯底上輕松實現晶體管陣列的高效可擴展制造。

乳酸是葡萄糖厭氧代謝的產物，與代謝紊亂密切相關，包括糖尿病、肝病和腫瘤發生，或其他疾病，例如細菌性腦膜炎、腦組織缺氧、局部缺血和某些先天性代謝缺陷。汗液乳酸的異常水平與呼吸衰竭、低氧血癥甚至休克和死亡具有合理的相關性，被認為是評估體能消耗的關鍵生物標志物之一，在該研究中被用作檢驗SIGN貼片性能的代表。

在該研究中，乳酸脫氫酶（LDH）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸+（NAD+）被用作生物識別元件，并在石墨烯上進行功能化修飾。由于良好的NAD+-乳酸反應可逆性，NAD+/LDH功能化石墨烯晶體管具有出色的信號再現性，重復使用50次后，最大信號波動誤差小于6.2%。此外，LDH和NAD+的持久酶活性也為傳感晶體管在暴露于汗液中時提供了良好的長期（超過1個月）穩定性。此外，TWEEN 80對人體汗液中的脂肪酸和尿素等復雜成分具有較低的結合親和力，并防止雜質生物污垢的形成，它在石墨烯上被功能化以形成鈍化層，并進一步增強傳感穩定性。值得一提的是，通過取代生物識別元件，晶體管可以毫不費力地適應于檢測各種生理生物標志物，而不僅僅是乳酸。

在該研究中，研究人員將一種全新自制的不對稱表面能分布（ASED）微流控模塊安裝在石墨烯通道上。由于雪花形ASED超親水汗液采樣通道和增量分布室的可切換表面潤濕性特性，可以實現大流量汗液的快速定向傳輸，以收集足夠數量的汗液樣本。由于嵌入式Janus微濾（MF）膜的單向液體傳輸行為，可以有效地自我凈化和富集汗液，從而消除雜質干擾，提高傳感精度和靈敏度。

石墨烯晶體管連接了一個高度集成的自行設計的信號處理單元（圖1b），其整體尺寸小于一張信用卡，并在低成本的柔性印刷電路板（PCB）上制造，可以實現高分辨率的晶體管信號轉導和采集、原位信號處理以及到Android智能手表或云服務器的無線數據傳輸。此外，佩戴者可以在活動中實時讀取汗液乳酸監測數據和心率，或通過定制的安卓智能手表應用程序查看歷史檢測結果。通過將佩戴者在活動中的生理指標與云大數據進行綜合比較，SIGN貼片可以智能地給出運動強度“合理”與否等初步診斷評估意見。當汗液乳酸水平超過合理限度時，它還可以通過智能手表發出振動警告提醒。此外，該研究制備的可穿戴SIGN貼片擺脫了之前報道的汗液監測集成系統中常用的笨重手機，允許用戶自由移動。此外，SIGN貼片還首次提出并實現了根據生物標志物檢測結果分析，智能自主地為過度運動提供感知警報信號以防止意外發生的策略。

圖1 微型可穿戴SIGN貼片的組成：（a）定制智能手表APP的交互式界面，用于現場查看連續的汗液乳酸監測數據、歷史檢測結果和智能預診斷結果；（b）自研制設計的集成信號處理單元的系統級框圖，石墨烯晶體管信號轉換和上傳到智能手表和云服務器是通過微控制器STM32L4、高精度DAC/ADC電路和無線通信電路完成的；（c）借助ASED微流控模塊和嵌入式Janus膜進行汗液自主富集和純化的過程示意圖；（d）說明NAD+/LDH功能化石墨烯晶體管在乳酸存在下的工作機制。石墨烯晶體管的照片（比例尺：2 mm）、石墨烯通道的SEM（比例尺：50 μm）和AFM（比例尺：5 μm）圖像。

SIGN貼片對汗液乳酸檢測性能表現

研究結果表明，該SIGN貼片對1 x PBS中0.5 ~ 400 mM濃度的乳酸展現出良好的檢測性能，理論檢出限可以低至0.31 mM。此外，在長期儲存30天后，該貼片對乳酸濃度變化仍顯示出較好的響應（信號響應偏差小于6.86%），并且貼片對0.5 ~ 400 mM濃度范圍的乳酸正向濃度與反向濃度變化均具有積極響應，展現出良好的可重復利用性（重復使用50次后偏差小于6.2%）。

為了評估SIGN貼片在可穿戴應用中的汗液乳酸檢測能力，在跑步鍛煉期間對不同的志愿者進行了實時的體內汗液乳酸測量。跑步運動過程包括幾分鐘的熱身，直到出汗，5分鐘以5 ~ 6公里每小時的恒定速度慢跑，15分鐘以10 ~ 11公里每小時的恒定速度跑步，10分鐘以5 ～ 6公里每小時的恒定速率慢跑，以及10分鐘的降溫步行（3 ~ 4公里每小時）。志愿者在熱身時出汗后，分別固定在志愿者不同身體部位（包括前額、頸部和背部）的設備可以同時記錄數據。設備收集的數據通過藍牙無線傳輸到用戶界面，用于進一步分析。在慢跑運動中，隨著跑步時間從0分鐘增加到20分鐘，歸一化的前額附著傳感器信號值急劇增加到5.37 μA，然后在接下來的10分鐘內緩慢下降到0.46 μA。在10分鐘的緩解過程中，歸一化的傳感器信號值繼續緩慢下降，最終幾乎保持在0.04 μA左右。頸部和背部的傳感器也獲得了類似的實驗結果。這些數據證明了可穿戴SIGN貼片在跑步運動中持續監測汗液中乳酸的潛力。

為了更全面地評估SIGN貼片的性能，三名志愿者重復進行以下身體測試。首先，志愿者在脖子上戴上貼片，然后在戶外（溫度30℃）進行跳繩運動。分別在2000次和3000次跳躍（每500次跳躍休息1分鐘）后檢測汗液乳酸水平。此外，在相同的天氣條件下，志愿者分別在以15 ~ 18公里每小時的速度騎行20分鐘和30分鐘后，或以10 ~ 11公里每小時的速度跑步8分鐘和15分鐘后進行汗液乳酸濃度檢測實驗，效果良好?？梢?，SIGN貼片在復雜的應用條件下，能夠準確、可靠地區分汗液乳酸水平的變化。

圖2 （a）用于無線數據通信的可穿戴SIGN貼片和腕戴智能手表；（b）SIGN貼片的電信號處理電路；（c）志愿者1在相應的鍛煉活動后面部區域的紅外照片；（d）Vds和Vg曲線；（e）志愿者背部、頸部和前額分別佩戴SIGN貼片，在40分鐘跑步活動中實時監測汗液乳酸數據；（f）29 ～ 33歲不同志愿者在跑步、慢跑和騎自行車等各種運動活動中的人體汗液乳酸檢測數據。

綜上所述，該研究提出了一種微型可穿戴皮膚界面智能石墨烯納米電子（SIGN）貼片，該貼片采用具有自主汗液采樣和純化能力的新型Janus膜集成表面潤濕性可切換微流控模塊，用于汗液生物標志物的原位分析。由于微流控表面的不對稱表面能分布特性，實現了足夠量的汗液到Janus膜的快速、定向傳輸。Janus膜凈化汗液樣本，并將樣本自主輸送到傳感器表面，從而消除雜質干擾，提高傳感性能。超柔性生物受體功能化石墨烯晶體管用于準確監測汗液生物標志物，如乳酸，具有出色的信號再現性和良好的長期（超過1個月）穩定性，以及與微流控模塊結合的信號處理單元。在實際佩戴測試中，SIGN貼片能夠連續測量志愿者在運動過程中的汗液乳酸水平，并成功地智能地對他們的運動強度進行初步診斷評估，這表明了其潛在的商業化前景。

論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202400947



審核編輯：劉清