本文研究题为《一种用于实时生物电位和汗液葡萄糖监测的纳米多孔碳-MXene异质结构纳米复合表皮贴片》（A nanoporous carbon-mxene heterostructured nanocomposite-based epidermal patch for real-time biopotentials and sweat glucose monitoring）。这是一篇关于原创性研究的学术论文。
主要作者与机构及发表信息 本研究的通讯作者是来自韩国光云大学电子工程系先进传感器与能源研究实验室的Jae Yeong Park教授。研究团队还包括Md Abu Zahed、Md Sharifuzzaman、Hyosang Yoon等多位研究人员，均隶属于同一机构。该研究成果以研究论文（Research Article）的形式发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊，具体发表时间为2022年，文章识别号为doi: 10.1002/adfm.202208344。
研究的学术背景 本研究属于柔性电子、可穿戴生物传感器及生物医学工程交叉领域。当前，随着个性化医疗和健康监测需求的增长，能够无缝贴合皮肤、进行长期连续监测的可穿戴设备受到广泛关注。现有的可穿戴监测系统大多侧重于记录单一类型的信号，例如心电（ECG）等生理信号或汗液中代谢物（如葡萄糖）等生化信号。然而，在实际应用中，特别是在运动等动态场景下，汗液的pH值和温度会发生显著波动，这些波动会严重影响汗液葡萄糖等生化传感器读数的准确性。此外，传统的生物电位（如ECG、EMG、EEG）记录通常使用凝胶电极（Ag/AgCl），存在凝胶干涸、可能引起皮肤过敏、不适合长期佩戴等问题。因此，开发一种能够同时、高精度地监测多种生理和生化参数，并能对关键生化指标（如葡萄糖）进行实时校准的集成化、柔性、表皮贴片式系统，是一个重要的研究目标，这也是本研究的主要动机。
本研究的具体目标包括：1）设计和制造一种基于蝴蝶形态灵感的多模态混合表皮生物传感（BI-HEB）贴片，该贴片需同时集成葡萄糖生物传感器、pH传感器、温度传感器以及用于记录心电、肌电和脑电的生物电位干电极。2）开发一种新型的、高性能的纳米多孔碳（Nanoporous Carbon, NPC）与MXene异质结构纳米复合材料（NPC@MXene），作为葡萄糖生物传感器的换能层，以解决现有材料（如碳纳米管、石墨烯）在酶固定、电化学活性及稳定性方面的不足。3）构建一个完整的小型化无线监测系统，用于采集、处理和无线传输所有传感器的数据。4）在体外和人体（在体）实验中验证该贴片在真实运动条件下，对汗液葡萄糖（经pH和温度校正后）和心电信号进行同步、实时、准确监测的能力。
研究的详细工作流程 本研究的工作流程可以概括为材料合成与表征、传感器设计与制造、电化学与电生理性能表征、以及最终的集成系统与人体验证四个主要部分。
首先，材料合成与表征。研究团队合成了核心的换能材料。纳米多孔碳（NPC）是通过高温热解沸石咪唑酯骨架材料ZIF-67，然后使用氢氟酸（HF）刻蚀去除钴纳米粒子，从而得到具有高比表面积、高石墨化程度和高氮掺杂量的多孔结构。MXene（Ti₃C₂Tₓ）则是通过LiF/HCl溶液对MAX相前体Ti₃AlC₂进行选择性刻蚀铝层，再通过超声剥离获得二维纳米片。随后，将NPC与MXene以2:1的质量比在乙二醇溶剂中进行超声和搅拌处理，通过静电相互作用和可能的Ti-O-C化学键合，形成稳定的三维异质结构纳米复合材料（NPC@MXene）。研究团队使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等手段，详细表征了从ZIF-67到Co-NPC、NPC，再到NPC@MXene复合材料的形貌、晶体结构、化学成分和化学键合状态，证实了材料的成功合成及其独特的3D异质结构。
其次，BI-HEB贴片的设计与制造。贴片采用微机电系统（MEMS）技术在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜基底上制造。设计灵感来源于蝴蝶，两个“翅膀”是用于记录ECG/EMG/EEG的叉指状金（Au）干电极，电极间距经过优化（1厘米和4厘米）。“身体”部分集成了温度传感器（铂，Pt）和电化学传感器的连接焊盘。“眼睛”部分则分别是葡萄糖和pH传感器的三电极体系（工作电极、对电极、参比电极）。制造流程包括：PET基底处理、Pt温度传感器的电子束蒸发沉积与图形化、Au电极层的沉积与图形化、SU-8光刻胶进行电学隔离、激光打孔增加透气性，最后将贴片从晶圆上切割释放。对于化学传感器，工作电极需进行功能化修饰：在葡萄糖传感器中，工作电极依次修饰NPC@MXene复合材料、电沉积铂纳米颗粒（PtNPs）作为电催化剂，最后通过EDC/NHS化学交联固定葡萄糖氧化酶（GOx）和壳聚糖，并覆盖Nafion选择性渗透膜。在pH传感器中，工作电极修饰NPC@MXene后，通过循环伏安法（CV）电聚合苯胺（Aniline）形成聚苯胺（PANI）传感层。参比电极则通过滴涂Ag/AgCl浆料并覆盖PVB/NaCl膜制成。
第三，电化学与电生理性能表征。这一部分进行了详尽的体外测试。1）电化学表征：通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）比较了不同修饰电极（Au、ZIF-67/Au、NPC/Au、NPC@MXene/Au、PtNPs/NPC@MXene/Au）的电化学活性表面积（ECSA）和电荷转移电阻（Rct），证实NPC@MXene异质结构具有优异的导电性和电子传输能力。2）葡萄糖传感器性能测试：在磷酸盐缓冲液（PBS）中，通过计时电流法测试传感器的灵敏度、线性范围、检测限、响应时间、选择性（对抗坏血酸、尿酸、乳酸等干扰物的抗干扰能力）、长期稳定性（7天）以及在不同弯曲半径下的机械稳定性。3）pH传感器性能测试：在标准pH缓冲液中，测量传感器的开路电位（OCP）响应，考察其灵敏度（超出能斯特极限）、线性度、选择性、重现性和弯曲稳定性。4）温度传感器性能测试：测量Pt电阻随温度变化的响应，验证其在生理温度范围内的灵敏度和精度。5）生物电位电极性能测试：通过EIS测量Au/PET干电极与商用Ag/AgCl凝胶电极在干燥和出汗皮肤上的接触阻抗。同时，将贴片电极与商用电极并置，在静息和运动（室内自行车）条件下，记录并比较ECG、EMG和EEG信号的质量，计算信噪比（SNR），评估其信号保真度和抗运动伪影能力。
第四，集成系统与人体验证。研究团队开发了定制的印刷电路板（PCB），集成了恒电位仪（用于电化学传感器）、ECG模拟前端（AFE）、微控制器和蓝牙低能耗（BLE）模块。该PCB通过柔性电缆与BI-HEB贴片连接，构成完整的无线监测系统。关键的校准步骤：为了获得准确的汗液葡萄糖浓度，研究者预先在人工汗液中系统测试了pH（5-7）和温度（27-40°C）变化对葡萄糖传感器响应的影响，建立了校正模型。在实际人体测试中，两名健康受试者在室内自行车运动前后，将贴片佩戴于胸部。系统实时同步监测运动期间汗液的pH值、温度、葡萄糖浓度（原始数据并根据实测pH和温度进行实时校正）以及ECG信号。同时，使用商用pH计、温度计和血糖仪作为参照，对比测量结果。所有数据通过蓝牙无线传输至手机应用程序进行显示和记录。
研究的主要结果 材料表征结果表明，成功合成了具有三维异质结构的NPC@MXene纳米复合材料。FESEM和TEM图像显示，MXene的片层结构有效阻止了NPC颗粒的团聚，形成了互联网络。XPS分析证实了Ti-O-C键的存在，表明两种材料之间形成了强化学相互作用。电化学测试结果显示，PtNPs/NPC@MXene/Au电极具有最大的电化学活性表面积（21.13 × 10⁻⁵ cm²）和最小的电荷转移电阻，证明了其作为高性能电化学传感平台的优越性。
葡萄糖传感器在体外测试中表现出卓越的性能：在生理相关范围（0.003-1.5 mM）内显示出100.85 µA mM⁻¹ cm⁻²的高灵敏度，检测限低至7 µM，响应时间约为9秒。传感器对常见干扰物（如抗坏血酸、尿酸）具有高选择性，并且在7天内和不同弯曲状态下（弯曲直径0.8-5 cm）保持稳定的响应，相对标准偏差（RSD）分别小于3.91%和4.91%。
pH传感器显示出64.151 mV pH⁻¹的超高灵敏度（超越理论能斯特极限59.2 mV/pH @ 25°C），具有良好的线性（R² = 0.9951）、选择性和机械稳定性（弯曲测试RSD为3.54%）。温度传感器在生理温度范围内灵敏度为0.921% °C⁻¹，分辨率可达0.2°C。
生物电位电极方面，Au/PET干电极在出汗皮肤上的接触阻抗（10 Hz时约222.6 kΩ cm²）与商用Ag/AgCl电极（210.4 kΩ cm²）相当。记录的ECG、EMG和EEG信号与商用电极信号质量高度相似：ECG的P波、QRS波群和T波清晰可辨，SNR值相近（静息时Au/PET为27±5 dB，Ag/AgCl为28±6 dB）；EMG的收缩信号和SNR值可比；EEG能清晰地捕捉到闭眼时的α节律（~10 Hz）。在运动状态下，尽管存在噪声，信号特征仍可被有效识别，且出汗后由于电解质效应，Au/PET电极的SNR有所改善。
在最终的人体集成验证中，该系统成功实现了在运动过程中对汗液多项指标和心电的同步无线监测。结果显示，受试者汗液的pH和温度在运动中和餐后确实发生了变化。更重要的是，经过pH和温度校正后的汗液葡萄糖浓度变化趋势（餐后立即升高，随后逐渐下降）与指尖血血糖仪测得的血糖变化趋势在定性上保持一致。这证明了实时校正策略对于提高汗液葡萄糖监测准确性的必要性。同时，系统在运动过程中成功记录了质量可接受的心电图，心率信息清晰可读。
研究的结论与价值 本研究成功开发并验证了一种基于新型NPC@MXene异质结构纳米复合材料的、蝴蝶仿生设计的多模态柔性表皮传感贴片（BI-HEB）及其集成监测系统。该系统能够同时、实时、无线监测汗液中的葡萄糖（经pH和温度校正）、pH、温度以及心电、肌电、脑电等多项生理生化参数。研究得出结论：1）新型NPC@MXene复合材料作为换能层，有效结合了NPC的高比表面积、高催化活性和MXene的高导电性、丰富官能团等优点，形成的3D异质结构防止了材料堆叠/团聚，提供了优异的电化学性能和稳定性。2）所开发的Au/PET干电极能够获得与临床级Ag/AgCl凝胶电极相媲美的生物电位信号质量，且更适合长期佩戴。3）通过整合pH和温度传感器对葡萄糖读数进行实时校正，是提高汗液葡萄糖监测可靠性的关键步骤。4）完整的集成系统在真实运动场景下的人体测试中表现良好，为实现个性化的健康与运动监测迈出了坚实的一步。
本研究的科学价值在于：首先，提出并验证了一种新型高性能纳米复合材料（NPC@MXene）在可穿戴电化学生物传感中的应用。其次，展示了多模态传感（物理与化学传感）集成与数据融合（利用pH和温度数据校正葡萄糖读数）在提高可穿戴设备监测精度方面的有效策略。其应用价值在于为未来个性化医疗、远程健康监护、运动科学等领域提供了一种高性能、多参数、佩戴舒适的一体化解决方案原型。
研究的亮点 1. 材料创新：开发了新型的NPC@MXene三维异质结构纳米复合材料作为传感界面，其协同效应显著提升了传感器的灵敏度、稳定性和抗干扰能力。 2. 系统集成创新：首次在单一柔性贴片上成功集成了用于生化传感（葡萄糖、pH、温度）和生理传感（ECG、EMG、EEG）的多模态传感器阵列，并实现了数据的同步采集与无线传输。 3. 仿生设计与实用性：采用蝴蝶形态的仿生设计，兼具美观与功能性（如翅膀状的叉指电极）。贴片轻薄、柔性、透气，适合表皮长期佩戴。 4. 精准校准策略：并非简单报告汗液葡萄糖原始值，而是创新性地利用同平台测量的实时汗液pH和温度数据对葡萄糖传感器进行动态校正，大大提升了监测结果的可靠性和生理相关性。 5. 全面的性能验证：从材料表征、体外电化学测试、到与金标准设备的对比，再到最终在动态运动条件下的人体在体验证，研究流程完整，证据链充分。
其他有价值的内容 研究还探讨了溶剂选择（乙二醇最佳）对复合材料分散稳定性的影响，优化了酶固定化和电极修饰的各个步骤（如PtNPs电沉积的循环次数、PANI电聚合的段数），并进行了简单的成本估算，显示了该技术未来应用的潜力。文中也坦诚指出，汗液葡萄糖与血糖之间的定量相关性仍需更大规模的研究来阐明，这为后续工作指明了方向。