学术报告: 可屏幕打印的功能性纳米材料用于柔性和可穿戴单酶能源收集及自供能生物传感设备的研究

第一部分：研究主要作者及其机构，期刊与发表时间

本文的研究由 Kornautchaya Veenuttranon, Kanyawee Kaewpradub 和 Itthipon Jeerapan 等人主导完成，主要来自 Center of Excellence for Trace Analysis and Biosensor, Division of Physical Science 和 Center of Excellence for Innovation in Chemistry, Prince of Songkla University，位于泰国合艾市。这项研究成果发表在《Nano-Micro Letters》期刊上，于 2023 年第15卷中刊载，文章编号为85，于2023年3月31日在线发表。

第二部分：研究的学术背景与目的

这项研究属于柔性生物电子学和功能性纳米材料领域。近年来，柔性生物电子设备因其在可穿戴和医疗器械领域的多功能应用而引发了广泛关注，例如智能织物、化学监测和连续健康检测。在这些系统中，实现持续的能源供应是一大瓶颈。传统柔性能源设备多依赖刚性电池，需频繁充电，而自充能技术的发展存在显著需求。

酶生物燃料电池（Biofuel Cell，简称BFC）因其可在人体生理环境中利用生物液体中的生物化学能（如葡萄糖）转化为电能，而成为一种可持续供能的方案。同时，BFC还能作为无外部电力驱动的电化学生物传感器监测目标化学物质水平。然而，现有技术中大多数BFC基于双酶设计，这种设计在操作条件（如pH）匹配、设备成本及柔性集成方面存在诸多限制。因此，本研究旨在开发一种基于单酶、柔性和可打印平台的能源收集装置和自供能生物传感设备。

第三部分：研究的详细流程

研究流程概述：
整个研究流程分为几个主要步骤，包括纳米复合功能墨水的开发、屏幕打印电极的制备与表征、BFC的电化学性能测试以及BFC在人工汗液中的应用探索。

1. 功能性纳米复合墨水的开发：
   为实现单酶BFC的柔性和功能性，他们设计了两种可屏幕打印的功能性纳米复合墨水，分别用于构建阳极和阴极。阳极墨水含有石墨、多壁碳纳米管（MWCNTs）、1,4-萘醌（naphthoquinone，简称NQ，作为氧化葡萄糖的电子介体）和聚氨酯（PU，作为聚合物粘合剂）。阴极墨水则由石墨、蓝色普鲁士/多壁碳纳米管复合材料（Prussian Blue/MWCNT, PB/MWCNT，作为还原过氧化氢的电催化剂）和PU组成。两种墨水的制备均优化了粘度、导电性及对弹性基底的黏附性。

制备过程中利用均质化探头分散组成成分，通过机械剪切力降低组分团聚，并采用高速混合设备进一步均匀化墨水。两种墨水实验均使用四氢呋喃(THF)作为溶剂，以获得最佳墨水均匀性。纳米材料的选择和加工确保了高导电性和高催化效能，同时保持了墨水的柔性。

1. 屏幕打印电极的制备与测试：
   借助屏幕打印技术，将上述墨水分别印刷于不同柔性基底（如PET薄膜、可拉伸织物等）上，制备了两个电极。在后续测试中，扫描电子显微镜（SEM）被用以观察打印电极的形貌，循环伏安法（CV）用于验证氧化还原行为以及电化学性能。

2. BFC整体装置的搭建与性能表征：
   BFC由分别印刷于柔性基底上的阳极与阴极构成。阳极基于NQ/MWCNT与葡萄糖氧化酶（GOx）发生葡萄糖氧化反应，阴极基于PB/MWCNT实现过氧化氢的还原反应。通过负载电阻评估BFC系统生成的开路电位、最大功率密度及自供能性能。

3. 生物传感的实现与验证：
   在人工汗液中模拟葡萄糖存在时，验证了该BFC系统自供能传感与柔性应用的可行性。测试中进一步评估了设备的选择性（抗干扰能力）、稳定性及机械弹性。

第四部分：主要研究结果

1. 墨水与电极表征：
   SEM图像显示，阳极中MWCNTs与石墨均匀分布，未见明显聚集，形成了高孔隙度的导电网络，有利于电化学性能。NQ的氧化还原峰具有准可逆特性（峰电势约-0.12 V），说明电子介体能够在生物催化中有效参与电子转移。同时，PB/MWCNT复合材料表现出两对可逆峰，分别对应于Prussian White（PW）向PB和PB向Berlin Green（BG）的转化。

2. 酶催化与对葡萄糖的灵敏响应：
   阳极和阴极在不同葡萄糖浓度下均表现出稳定的电化学响应。阳极的葡萄糖检测线性范围为1.5–20 mM，表现出较高的酶-底物亲和性（Km = 2.47 mM）。相对而言，阴极在葡萄糖氧化生成过氧化氢后的还原响应灵敏度也较高（Km = 2.99 mM）。

3. BFC的性能表现：
   单酶BFC在20 mM葡萄糖下产生了0.45 V的开路电压，最大功率密度为266 μW cm⁻²，电流密度达到1.3 mA cm⁻²。与其它BFC设计相比，该单酶装置大幅简化了系统构建，且具备合理的成本优势（无须使用昂贵的双酶系统）。

4. 抗干扰性与柔性：
   在乳酸、尿酸、抗坏血酸和肌酐等常见汗液内物质的存在下，BFC对葡萄糖的检测几乎未受干扰。此外，多次机械弯曲实验表明，电极和BFC整体在0°至180°连续弯曲后，其电阻和产出功率基本保持不变。

第五部分：研究结论、意义与价值

这项研究首次开发了一种柔性、单酶、可屏幕打印的生物燃料电池系统，可同时实现能源收集与自供能生物传感。研究中提出的新型墨水配方不仅提高了设备的电化学性能，还使其能够定制化地集成于各种柔性基底，如塑料、橡胶、伸展织物等。此设备不仅在可穿戴、无创医疗监测中具有广泛应用前景，还为柔性分布式能源设备提供了新思路。研究的亮点包括高性能的单酶催化设计、简单的功能性墨水制备工艺，以及良好的机械耐受性和长时间稳定性。

第六部分：研究亮点

1. 创新性地开发出单酶、多功能纳米复合墨水。
2. 提供了一种无需分隔膜的柔性生物燃料电池设计。
3. 装置在人工汗液中展示了高灵敏度、自供能传感特性。
4. 屏幕打印技术与低温固化工艺的结合适用于多种基底，展现了较高的工业化潜力。

第七部分：未来展望

后续研究可聚焦于墨水在更多类型基底上的表现，以及工业化生产流程的优化。此外，BFC可进一步集成无线系统，用于实时监测运动和其它生物化学指标，从而推动柔性生物电子学的发展。