智能可穿戴傳感：基于大面積高精度的生物傳感

可穿戴傳感設(shè)備可以通過(guò)對(duì)物理參數(shù)和生物體液（例如唾液，眼淚，汗水和呼吸）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)人體生理信號(hào)的無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)，在個(gè)性化監(jiān)測(cè)和醫(yī)療保健領(lǐng)域引起了人們極大的興趣。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于人體信號(hào)的檢測(cè)，可穿戴的電子設(shè)備需要多種工藝和技術(shù)的集成，包括電化學(xué)，微流體技術(shù)，尤其柔性電子學(xué)等領(lǐng)域。盡管該領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，但生理環(huán)境和生物/非生物界面的復(fù)雜性仍然使該領(lǐng)域面臨巨大挑戰(zhàn)，包括樣品最佳采集效果，設(shè)備連續(xù)化工作能力，電學(xué)信號(hào)干擾等。此種情況下，如通過(guò)可穿戴貼片、微流體設(shè)備、腕帶等建議設(shè)備實(shí)現(xiàn)連續(xù)化體征信號(hào)檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)整個(gè)生理反應(yīng)和個(gè)體發(fā)展趨勢(shì)，就會(huì)非常重要。

近期，美國(guó)Tufts University的研究人員通過(guò)在可穿戴襯底上印刷具有生物活性的高精度生物傳感結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)進(jìn)行生物分子的局域化檢測(cè)，這項(xiàng)工作主要是基于他們之前的可用于噴墨打印的具有生物活性的油墨的開(kāi)發(fā)工作，并可以在多種基地材料上實(shí)現(xiàn)類似的檢測(cè)功能。這種油墨材料在不同的條件下可以發(fā)生顏色變化，當(dāng)周圍的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)候，或者釋放特定的分子時(shí)候，具有生物活性的傳感材料可以與之發(fā)生反應(yīng)，從而發(fā)生顏色的變化。通常這種方式叫做比色傳感。

盡管比色傳感存在已知的局限性，例如只能檢測(cè)分析物的存在與否，難以進(jìn)行定量化分析。但是該方法對(duì)于分析物的快速檢測(cè)仍然有效，特別是結(jié)合圖像分析和多路復(fù)用采樣技術(shù)，能夠獲得較高的特異性和靈敏性。

這項(xiàng)工作的目的是通過(guò)設(shè)計(jì)一種化學(xué)/生物活性油墨配方，通過(guò)簡(jiǎn)單的絲網(wǎng)印刷工藝實(shí)現(xiàn)大面積的生物傳感檢測(cè)。絲網(wǎng)印刷作為一種最成熟的印刷工藝可以在木材，塑料，紙和紡織品等多種基材表面印刷圖案，圖案尺寸可從幾百微米到幾十米不同。例如，通過(guò)印刷導(dǎo)電油墨作為可穿戴電化學(xué)裝置的電極層?；谧匀坏纳锊牧贤ǔ？捎盟鳛槿軇?，并且可以在室溫下進(jìn)行處理操作，因此能夠與不穩(wěn)定傳感分子結(jié)合，并保持良好的穩(wěn)定性。通過(guò)此種方式配置的絲網(wǎng)印刷油墨具有良好的生物活性和穩(wěn)定性。

圖1 絲網(wǎng)印刷的樣品在不同尺寸下的圖形示例。a）油墨配制與印刷過(guò)程示意圖，b）絲綢布料上的絲網(wǎng)印刷圖案的分辨率（從1.25 mm到250 μm）。c–e）在不同襯底材料上絲網(wǎng)印刷獲得的pH檢測(cè)布料的圖片，（c）紙張，（d）圍巾和（e）掛毯。

圖2 通過(guò)多光譜相機(jī)記錄實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)比色分布傳感器的pH值變化。a，b）T恤衫的上背部（a）和下背部（b）的pH值變化前后對(duì)比。c）由于pH值變化，T恤衫下背部的顏色信號(hào)也發(fā)生了明顯的改變。

圖3T恤背面的分布式絲網(wǎng)印刷比色pH傳感器的照片

圖4 在布料上絲網(wǎng)印刷的生物材料油墨，并且通過(guò)比色法檢測(cè)乳酸和HRP活性變化