基于喷墨打印的微流控汗液传感平台用于皮质醇与葡萄糖检测研究
主要作者及发表信息
本研究由马萨诸塞大学阿默斯特分校高分子科学与工程系的James J. Watkins教授课题组主导完成，Aditi R. Naik、Yiliang Zhou与Anita Dey为共同第一作者。合作单位包括西北大学材料科学与工程系及化学系的Mark C. Hersam教授团队，以及马萨诸塞大学机械与工业工程系和生命科学研究所的研究人员。该研究成果于2021年11月7日提交，并发表于微流控领域的权威期刊《Lab on a Chip》。
学术背景与研究目的
近年来，可穿戴汗液生物传感器因其在个人健康监测和非侵入式生物标志物检测方面的巨大潜力而受到广泛关注。汗液中蕴含电解质、代谢产物、氨基酸、蛋白质等多种反映人体生理状态的关键信息，其中皮质醇（cortisol）作为压力与疲劳的指示性类固醇激素，葡萄糖（glucose）作为糖尿病管理的关键单糖，是两项极为重要的检测靶标。然而，现有可穿戴汗液传感器面临诸多挑战：新旧汗液混合、低出汗率及低分析物浓度下的准确测量、高效样品收集以及可扩展低成本制造工艺的匮乏。更为关键的是，学界普遍缺乏关于汗液流速与汗量如何影响传感器准确性的系统数据，尤其是针对原位监测场景。此外，传统的在体测试依赖于人体临床试验，成本高昂、耗时且难以标准化，因为人体出汗率受身体部位、年龄、性别、体质及环境等多种因素影响，限制了不同研究之间的可比较性。针对上述问题，本研究旨在开发一种低成本、可灵活定制的“智能创可贴”式微流控平台，集成喷墨打印的电化学传感器，用于皮质醇的单次检测和葡萄糖的连续监测，并通过构建人造皮肤（synthetic skin）模型，系统评估出汗率对传感器性能的影响，从而为实时、多诊断功能的个人健康监测提供一种可扩展的解决方案。
详细研究流程
本研究的工作流程主要包含四个核心环节：电极与微流控器件制造、皮质醇传感器开发、人造皮肤构建以及葡萄糖连续监测测试。
在第一环节，研究团队采用喷墨打印技术，在聚酰亚胺（PI）基底上沉积石墨烯（graphene）和银（silver）墨水，以制备电化学传感器的电极。为确保高温稳定性，选用PI作为基底；顶层则采用具有亲水涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底，以促进毛细作用驱动的流体流动。微流控通道由激光切割的压敏胶（PSA）层形成，宽度为1毫米，末端放置吸水垫以实现汗液的持续蒸发和更新。整个器件尺寸与标准创可贴相当，具备良好的柔韧性，可承受弯曲和扭曲。为实现规模化与效率优化，两种墨水采用了统一的打印波形和热退火工艺（350摄氏度处理1小时）。葡萄糖传感器采用双电极体系：石墨烯工作电极与经氯化铁溶液修饰的银/氯化银（Ag/AgCl）复合参比-对电极。皮质醇传感器则采用三电极体系：石墨烯/金纳米颗粒工作电极、石墨烯对电极及Ag/AgCl参比电极。
在皮质醇传感器开发环节，研究者在打印的石墨烯工作电极表面电沉积金纳米颗粒（Au NPs），扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）表征证实了金纳米颗粒的均匀覆盖。金纳米颗粒不仅增强了电极表面的电荷转移效率，还作为后续固定抗体的活性位点。通过双硫代双(琥珀酰亚胺基丙酸酯)（DTSP）作为交联剂，将抗皮质醇单克隆抗体共价连接到金纳米颗粒表面，并用乙醇胺（ethanolamine）封闭未反应位点。循环伏安法测试显示，每一步修饰均导致峰值电流降低，证实了抗体层对电子传递的阻碍作用。传感器检测采用计时电流法（chronoamperometry），原理是当皮质醇被抗体捕获后，会在电极表面形成扩散屏障，降低铁氰化物（Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻）氧化还原探针的电流信号，其降低程度与皮质醇浓度成正比。此外，该微流控器件还创新性地集成了一种低电压（4伏）介电润湿阀（electrowetting valve），通过在PET基底上打印经全氟癸硫醇（PFDT）修饰的疏水银电极实现，用于精确控制氧化还原探针溶液的注入时间，展现了器件向多点检测拓展的潜力。
人造皮肤的构建是本研究应对标准化测试挑战的关键创新。研究团队采用标准光刻和软光刻技术，制造了一种由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的双层柔性人造皮肤。底层包含微流道网络和两个独立进液口，用于模拟汗液分泌和不同浓度溶液的混合；顶层为50微米厚的薄膜，其上分布有直径50微米的通孔阵列，以模拟人类汗孔。该人造皮肤在半径3毫米的圆形区域内分布72个汗孔，密度达到254个/平方厘米，处于人体汗孔密度的典型范围内（64至700个/平方厘米）。流体从两个注射泵驱动的进液口进入，经蛇形流道混合后，均匀分配至各汗孔。该设计不仅实现了对稳态和时变汗液浓度的模拟，还通过泰勒-阿里斯（Taylor-Aris）弥散分析，量化了生物标志物在流道内的轴向扩散和径向扩散效应，以及从进液口到汗孔出口的时间延迟（tlag）。实验结果显示，在高于1微升/分钟的流速下，持续5分钟注入的流体塞浓度扩散极小，确保了传感器界面处汗液浓度（Csensor）能达到进液口浓度（Cinlet）的90%，从而为传感器的精确标定和测试提供了可靠的物理仿真平台。
在葡萄糖连续监测研究环节，研究者在石墨烯工作电极上电沉积普鲁士蓝（PB）作为电子媒介体，SEM和EDS证实了PB纳米颗粒的良好包覆。PB层能有效催化葡萄糖氧化酶（GOx）氧化葡萄糖产生的过氧化氢还原，使工作电压降至-0.05伏特，显著提高了传感器灵敏度和选择性。循环伏安测试表明该反应为准可逆扩散控制过程，且50次循环后峰值电流保持稳定，显示了卓越的稳定性。最后，将含有GOx、壳聚糖和戊二醛的酶溶液滴涂在PB层上，完成工作电极制备。将完整的微流控葡萄糖传感器贴附于人造皮肤汗孔区域，进行连续动态监测。测试程序为先通入模拟汗液建立基线，再切换为含特定浓度葡萄糖的汗液，安培法记录响应电流。
主要研究结果
皮质醇传感器在浓度范围为10皮摩尔（pM）至100纳摩尔（nM）的人工汗液中取得了良好的检测结果，最低检测限达到10皮摩尔，这一范围覆盖了人体汗液中皮质醇的典型生理浓度。计时安培曲线显示，在30秒的平台期，响应电流值与皮质醇浓度呈现良好的相关性。选择性评估实验表明，即使在1.0毫摩尔的抗坏血酸、尿酸和葡萄糖等非特异性干扰物存在下，传感器电流也未发生显著下降，证明了其高选择性。
葡萄糖传感器在苯基测试中表现出0.2至1.0毫摩尔（mM）的线性检测范围，该范围处于人体汗液葡萄糖的典型浓度区间，检测限为10微摩尔（μM），灵敏度约为18微安·厘米⁻²·毫摩尔⁻¹。在与人造皮肤集成的连续监测中，传感器展现出良好的稳定性和可重复性，多次注入相同浓度（0.2 mM）葡萄糖溶液可获得相近的电流值。不同浓度下的响应曲线显示，平台期电流值随浓度升高而规律性增加。
本研究最关键和具创新性的发现是揭示了汗液流速对传感器性能的显著影响。实验在1至5微升/分钟的生理相关流速范围内进行。结果显示，在2微升/分钟及以上的流速下，传感器能获得稳定且相似的电流响应值；但在1微升/分钟的极低流速下，信号强度明显降低，这可能是由于流体量过少导致溶液与工作电极接触不良。此外，响应时间和衰减时间随流速降低而显著延长。研究进一步通过建立响应时间的倒数与流速之间的线性关系，阐明了一个关键机理：即器件从进液口到传感器区域存在一个固定的内部体积，传感器达到准确测量需要一定体积的新鲜液体完全置换通道内原有液体。流速越低，完成此置换所需时间越长，从而表现为响应时间增加和总注入体积的下降。
研究结论与应用价值
本研究成功展示了一种低成本、柔性化、“智能创可贴”形式的微流控汗液传感平台。该平台通过喷墨打印石墨烯和银墨水，能够在同一架构上实现基于免疫反应的皮质醇单次检测和基于酶反应的葡萄糖连续监测，充分证明了打印电子技术在实现多机制、多靶标传感方面的通用性和潜力。介电润湿阀的集成进一步提升了器件的操作便捷性和功能可扩展性。
该研究的核心科学价值在于，首创性地将聚合物基人造皮肤模型与微流控汗液传感器集成，系统、定量地揭示了汗液流速对传感器响应动态的关键影响，明确了优化器件内部死体积对于提升低流速下传感器性能的重要性。这一发现为新一代可穿戴汗液传感器的合理设计提供了至关重要的理论依据和工程指南。
在应用价值层面，论文提出的制造路线（喷墨打印加激光切割）显著降低了成本，避免了洁净室光刻和金/铂等贵金属真空蒸镀等昂贵、复杂的传统工艺，为汗液传感器的大规模、一次性使用制造开辟了道路。集成了人造皮肤的标准化测试平台，能够有效规避人体试验的伦理、时间和成本限制，为传感器研发和性能比对提供了一种可重复、可控制的高效体外评价工具。最终，该平台有望扩展至其他分析物和电化学传感机制，推动实时、多诊断、个性化健康监测设备的发展。
研究亮点归纳
本研究的主要亮点可归纳为以下三点：第一，提出并验证了一种“传感器-人造皮肤”联合测试框架，解决了该领域长期存在的缺乏标准化、可重复体外测试模型的难题，首次系统量化了出汗率这一关键生理变量对传感器动态性能的影响。第二，在材料与制造工艺上，实现了全打印的柔性电化学传感器与全激光切割的胶粘剂基微流道的低成本、一体化制造，并通过引入低电压打印介电润湿阀，展示了高度的功能集成和设计灵活性。第三，研究证实了同一打印石墨烯平台可通过不同的表面功能化策略（电沉积金/抗体修饰与电沉积普鲁士蓝/酶修饰），实现对应激激素和小分子代谢物两类完全不同的生物标志物的高灵敏、高选择性检测，体现了平台技术的多功能性与普适性。