用于汗液葡萄糖传感的Bio-FET纸基贴片，具备pH值及温度校准功能
2025-05-17 15:16:18   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

电子器件可以用作基于电子皮肤（E-skin）的可穿戴生物传感器，以实现汗液监测功能。场效应晶体管（FET）生物传感器以其灵敏度、选择性和通用性而著称，能够检测多种分析物。利用纸作为衬底具有成本效益高、生物相容性好和易于制造等优势。为了增强纸基器件的传感性能，设拉子大学的研究团队提出使用二维过渡金属碳化物Ti₃C₂ MXene作为传感材料。图1展示了生物传感器检测方法的分类。

图1 生物传感器检测方法的分类

据麦姆斯咨询报道，近日，设拉子大学（Shiraz University of Technology）的研究团队开发出了具有三种功能的纸基可穿戴生物电子传感器阵列，这种传感器能够检测汗液中的葡萄糖和pH值，并测量体温。该FET传感器使用Ti₃C₂ MXene作为沟道材料（传感材料），因为它具有可调谐、与生物标志物相互作用的高表面积、高迁移率以及快速将电荷转移到PEDOT: PSS源极和漏极等特性，这对于调制FET传感器中的电流至关重要。研究人员采用电阻式、侧栅式和背栅式三种结构设计制备了生物场效应晶体管（Bio-FET），并对它们的响应进行了比较和讨论。葡萄糖、pH值和温度的持续健康监测是通过一种全集成一次性无线装置实现的。所制备的Bio-FET具有高灵敏度，以及良好的再现性、稳定性和可重复性。为了提高精度，研究人员使用实时温度和pH值测量对该葡萄糖传感器进行了校准。这项研究以“Wearable MXene-enhanced organic Bio-FET paper patch for glucose detection in sweat with pH and temperature calibration”为题发表在Scientific Reports期刊上。

本项研究提出的电子皮肤可穿戴生物传感器的主要特征包括基于生物相容性材料的实时、无创和可定制的汗液监测。该FET生物传感器基于FET的p型Ti₃C₂ MXene/MWCNT沟道中的电子转移而运行。如图2a所示，电子皮肤以一种创新和未来主义的方式展示，生物电子传感器使用蘸墨画笔绘制在纸上。图3展示了沟道材料的制备和合成工艺示意图。

图2 基于Bio-FET的可穿戴生物传感器设计原理及应用展示

图3 沟道材料的制备和合成工艺示意图

图4展示了所制备的FET生物传感器的示意图和沟道表征，图4A和图4C、图4B和图4D分别展示了背栅式FET和侧栅式FET。

图4 背栅式FET和侧栅式FET的示意图和沟道表征

研究团队设计了电阻传感器（浮栅式FET）、侧栅式FET和背栅式FET三种栅极类型传感器，共制备了9个传感器。研究人员根据监测参数（葡萄糖、pH值和体温）对所制备的传感器进行了分类测试分析。图5展示了背栅式FET在（A）葡萄糖传感器、（B）pH传感器和（C）温度传感器中的输出特性曲线。

图5 背栅式FET在（A）葡萄糖传感器、（B）pH传感器和（C）温度传感器中的输出特性曲线

研究人员对葡萄糖传感器、pH传感器和温度传感器的重复性进行了测试，得到的相对标准偏差（RSD）分别为0.2%、0.15%和0.21%，结果表明这些传感器具有优异的测量重复性（图6a至图6c）。将校准过的葡萄糖传感器阵列与Wi-Fi微控制器相集成，就能实现对人体汗液采样，并通过智能手机对葡萄糖、pH值和温度进行后续分析（如图6f）。研究结果表明，开发用于连续汗液监测的可穿戴Bio-FET纸基生物传感器并与无线电子模块集成，是一种可在早期阶段管理、控制和诊断相关疾病的有前景、无创且经济的方法。

图6 该传感器阵列的再现性、稳定性和可重复性测试以及与无线系统集成的展示

综上所述，这项研究提出了一种可绘制在纸上的有机Bio-FET，作为一种可穿戴的无创装置，可用于检测葡萄糖等基本生物标志物。利用纸基材的独特特性和FET技术的灵敏检测能力，提出了可绘制的葡萄糖、pH值和温度传感器作为创新的Bio-FET器件，为实时健康监测提供了一种多功能且经济高效的解决方案。将葡萄糖传感器、pH值传感器和温度传感器集成在单个装置中，再结合基于物联网（IoT）的无线数据传输功能，可为持续健康监测提供全面的解决方案。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-025-00533-1

延伸阅读：

《可穿戴传感器技术及市场-2025版》