第一，研究的主要作者、机构、发表期刊及时间
本研究的主要作者为Milad Farahmandpour和Zoheir Kordrostami（通讯作者，邮箱：kordrostami@sutech.ac.ir）。他们均来自伊朗设拉子科技大学（Shiraz University of Technology）的电气工程系以及先进电子器件设计与制造研究中心。
该研究成果以题为“Wearable MXene-enhanced organic bio-FET paper patch for glucose detection in sweat with pH and temperature calibration”的论文形式，发表于学术期刊《Scientific Reports》。根据文末信息，论文的接收日期为2025年1月5日，接受日期为2025年4月29日，在线发表日期为2025年，卷期为第15卷，文章编号为16219。
第二，研究的学术背景
本研究属于生物医学工程、柔性电子学与传感器技术交叉领域，具体聚焦于可穿戴生物传感器的开发。当前，糖尿病等慢性病的健康管理依赖于对血糖水平的持续监测。传统的侵入式血糖监测方法（如指尖采血）给患者带来疼痛和不便，且难以实现真正的连续监测。因此，开发非侵入式、连续、实时的生物标志物监测技术具有重要的临床意义。
汗液作为人体最容易获取的体液之一，含有多种生物标志物，包括葡萄糖、电解质（如H⁺离子，反映pH值）等，且其采集过程完全无创。场效应晶体管（Field-Effect Transistor, FET）生物传感器因其高灵敏度、高选择性和多功能性，在汗液分析领域展现出巨大潜力。同时，以纸张作为传感器基底材料，具有成本低廉、生物相容性好、柔韧性佳、易于加工和环保可降解等显著优势。纸张的多孔结构还有利于样品扩散，可增强传感器的灵敏度和响应速度。
然而，开发高性能的纸基可穿戴传感器仍面临挑战：如何在不依赖昂贵复杂微加工工艺的前提下，实现传感器的高灵敏度、高选择性、稳定性以及与皮肤的舒适集成。此外，汗液中的葡萄糖浓度远低于血液，且汗液的pH值和皮肤温度会因个人生理状态和环境因素而动态变化，这些变量会直接影响葡萄糖传感器的读数准确性。因此，一个理想的汗液葡萄糖监测系统需要能够同时、实时地测量葡萄糖、pH值和温度，并对葡萄糖读数进行交叉校准。
基于以上背景，本研究旨在开发一种创新的、基于纸张的可绘制有机生物场效应晶体管（Bio-FET）传感阵列。其核心目标是： 1. 利用简单的“画笔绘制”方法，在纸基上低成本、便捷地制造柔性、可穿戴的FET传感器。 2. 通过引入新型二维材料MXene（Ti₃C₂）及其与其它纳米材料（如碳纳米管MWCNT、氧化铜CuO、还原氧化石墨烯rGO）的复合材料作为FET沟道，显著提升传感器对葡萄糖、pH和温度的检测性能。 3. 设计并比较电阻式、侧栅（side-gated）和背栅（back-gated）三种不同的FET结构，以优化传感器性能。 4. 将葡萄糖、pH和温度三种传感器集成到一个单一的、可无线通信的柔性贴片装置中，实现对汗液的多参数同步监测。 5. 利用实时测得的pH和温度数据对葡萄糖传感器进行校准，从而获得更准确、可靠的葡萄糖浓度信息。
第三，研究的详细工作流程
本研究的工作流程系统而复杂，主要包括以下几个关键步骤：
1. 传感器设计与材料制备 本研究设计了三种功能的传感器：葡萄糖传感器、pH传感器和温度传感器。每种传感器又尝试了三种不同的电学结构：电阻式（浮栅）、侧栅FET和背栅FET，共计九种传感器变体进行性能比较。
核心材料制备是本研究的基础，涉及多种功能性“墨水”的合成： * Ti₃C₂ MXene墨水：采用原位HF蚀刻法合成。将LiF粉末加入浓HCl中溶解，再加入Ti₃AlC₂（MAX相）前驱体，在50°C下反应48小时，经离心、洗涤至中性，真空干燥后得到MXene粉末。 * MWCNT墨水：将多壁碳纳米管分散在去离子水中，超声处理形成均匀分散液。 * 羧基化MWCNT（MWCNT-COOH）墨水：使用浓硝酸和浓硫酸的混合酸对MWCNT进行酸化处理，引入羧基官能团，增强其亲水性和生物相容性。 * CuO/MWCNT-COOH复合墨水：将CuO纳米颗粒与MWCNT-COOH混合研磨，在去离子水中搅拌，并滴加NaOH溶液促进反应，经离心、超声纯化后获得。 * rGO/MWCNT复合墨水：将还原氧化石墨烯（rGO）与MWCNT共同分散在去离子水中，通过超声和机械搅拌形成均匀混合墨水。 * 最终沟道复合材料墨水：通过混合上述基础材料，制备了三种核心传感材料： * Ti₃C₂ MXene/CuO/MWCNT：用于葡萄糖传感器沟道。 * Ti₃C₂ MXene/MWCNT：用于pH传感器沟道。 * Ti₃C₂ MXene/rGO/MWCNT：用于温度传感器沟道。
2. 纸基生物FET传感器的制造 制造过程采用了一种新颖的“绘制”方法，核心是用画笔蘸取导电墨水在纸张（Steinbach纸）上直接绘制电极和沟道。 * 绘制电极：首先使用导电聚合物PEDOT: PSS墨水，通过画笔和模板，在纸基上绘制出叉指状的源极和漏极电极图案。对于背栅结构，需要先绘制栅极电极，然后在其上旋涂一层聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为介电层（栅氧化层），再将源漏电极绘制在PDMS层之上。对于侧栅结构，栅极与源漏电极绘制在同一平面。 * 绘制传感沟道：根据传感器功能，使用上述对应的复合材料墨水（如MXene/CuO/MWCNT用于葡萄糖传感），在源漏电极之间的区域绘制FET的导电沟道。 * 功能层涂覆：在传感沟道上涂覆一层Nafion（全氟磺酸聚合物），以提高传感器的选择性、稳定性和生物相容性，并防止干扰。最后，覆盖一层PDMS，形成类似微流道的结构，以控制汗液样本的流动。
为了确保绘制图案的准确性和可重复性，研究团队制定并遵循了严格的操作规则，包括使用模板、控制墨水粘度和质量、保持稳定的笔触和移动速度、控制每次的墨水负载量、确保每层充分干燥后再进行下一层绘制，并通过初步测试优化技术。
3. 无线可穿戴设备集成 为了实现实时监测和数据传输，研究团队设计并制作了专门的印刷电路板（PCB）。 * 核心单元：采用集成了Wi-Fi功能的ESP32微控制器，负责数据采集、处理和传输。 * 供电：使用3.7V可充电锂电池供电，支持Type-C接口和太阳能电池充电，单次充电可工作12小时。 * 连接：通过柔性扁平电缆（FFC）和连接器将纸基传感器阵列与PCB微控制器相连。 * 软件：开发了配套的智能手机应用程序，用于接收、显示和监控葡萄糖、pH和温度的测量结果。
4. 传感器性能表征与测试 * 电学特性测试：使用Keithley 2450源表测量所有FET传感器（包括不同沟道材料和不同栅极结构）的电流-电压（I-V）特性曲线，包括输出特性（Ids-Vds）和转移特性（Ids-Vgs）。计算了跨导（gm）、阈值电压（Vt）等关键参数，评估了不同复合材料（如添加CuO、rGO）和不同栅极结构（背栅 vs. 侧栅）对FET性能的影响。 * 传感性能测试： * 葡萄糖传感器：将传感器暴露于不同浓度（0 μM – 2 mM）的葡萄糖溶液（在磷酸盐缓冲液PBS或人工汗液中），测量其Ids响应。研究了栅源电压（Vgs）、漏源电压（Vds）以及绘制次数（影响沟道厚度）对传感器灵敏度和检测限（LOD）的影响。 * pH传感器：将传感器暴露于不同pH值（3-9）的溶液中，测量Ids变化。同样测试了Vds、Vgs和绘制次数的影响。 * 温度传感器：将传感器置于20°C至60°C的温度范围内，测量其电阻或Ids的相对变化。使用商用温度传感器（LMT70EVM）进行校准。 * 选择性、稳定性、重复性与再现性测试： * 选择性：将葡萄糖传感器暴露于抗坏血酸、尿酸、乳糖、果糖、多巴胺等常见干扰物中，评估其对葡萄糖的特异性响应。 * 稳定性：在长达17天的时间内，定期测试传感器的响应信号，评估其长期稳定性。 * 重复性：对同一传感器进行多次重复测量，计算相对标准偏差（RSD）。 * 再现性：对不同批次制造的传感器进行测试，评估制造过程的一致性。 * 材料表征：利用扫描电子显微镜（SEM）、场发射扫描电镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）观察了rGO、MWCNT、PEDOT:PSS、CuO/MWCNT、MXene以及各种复合材料的形貌和微观结构。通过X射线衍射（XRD）分析了材料的晶体结构，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了材料的官能团，通过原子力显微镜（AFM）表征了沟道材料的表面粗糙度和形貌。
5. 多参数校准与体表评估 * 校准算法：建立了葡萄糖传感器响应与温度和pH之间的函数关系。通过实验数据拟合，获得了温度补偿因子（St, It）和pH补偿因子（Sp, Ip）。在实际测量中，利用同步测得的实时温度和pH值，对葡萄糖传感器输出的原始电流值进行修正，从而计算出校准后的葡萄糖浓度。 * 体表测试：将集成了三种传感器的无线贴片装置通过医用胶带固定在志愿者皮肤上。在餐前、餐后即刻和餐后两小时等不同时间点，采集自然分泌的汗液或运动后产生的汗液，进行连续监测。将校准后的汗液葡萄糖测量结果与商用血糖仪测得的指尖血血糖值进行对比，以验证其准确性和相关性。同时，测试了传感器在皮肤弯曲状态下的机械稳定性和信号一致性。
第四，研究的主要结果
1. 材料与FET电学特性结果：表征结果（SEM, TEM, XRD, FTIR, AFM）成功证实了各种纳米材料（MXene, MWCNT, rGO, CuO）及其复合材料的成功合成与预期形貌。电学测试表明，Ti₃C₂ MXene与MWCNT的复合显著改善了沟道的电荷传输性能。在沟道中加入CuO进一步提高了p型FET的跨导（gm）和电流，这有利于葡萄糖氧化产生的电子传输。加入rGO则因极高的导电性，进一步提升了复合沟道的导电性和对温度变化的响应。最重要的是，背栅FET结构在所有测试中均表现出比侧栅和电阻式结构更优越的性能：更高的输出电流（达毫安级，而文献中多为微安级）、更高的跨导（gm）、更高的灵敏度以及更低的检测限。理论分析表明，背栅结构具有更均匀、更强的栅极电场，栅与沟道之间的电势降更低，电容更大，从而能更有效地调制沟道电荷并放大传感信号。
2. 传感性能结果： * 葡萄糖传感器：基于Ti₃C₂ MXene/CuO/MWCNT复合沟道的背栅FET葡萄糖传感器表现出卓越性能。其检测范围宽（0.001 – 2 mM），检测限极低（10 nM），灵敏度高达1750 μA mM⁻¹。传感器响应快（~1秒），且在17天内信号衰减仅约1.5%，表现出良好的稳定性。选择性测试表明，其对常见干扰物的响应远低于对葡萄糖的响应，证实了高选择性。其高性能归因于CuO对葡萄糖的非酶催化氧化、MWCNT的弹道电子传输特性以及MXene的高比表面积和催化作用的协同效应。 * pH传感器：基于Ti₃C₂ MXene/MWCNT沟道的背栅FET pH传感器在pH 3-9范围内呈现高灵敏度（283.3 mV/pH）和快速响应（~1秒）。其工作原理是H⁺离子与沟道材料的相互作用改变了表面电荷密度和电导率。纯MWCNT表面没有葡萄糖氧化位点，因此该传感器对葡萄糖无响应，实现了选择性pH传感。 * 温度传感器：基于Ti₃C₂ MXene/rGO/MWCNT沟道的背栅FET温度传感器在20-60°C生理相关范围内，灵敏度高达-11.2 %/°C。其机理是温度升高导致复合材料中载流子浓度增加，从而改变沟道电导。
3. 校准与体表验证结果：传感器阵列成功集成到无线贴片中。智能手机应用程序能够实时显示三参数数据。体表实验证明，该柔性贴片能舒适、稳定地附着在皮肤上，即使在弯曲时也能正常工作。最关键的结果是：通过同步测量得到的温度和pH值对葡萄糖读数进行实时校准后，获得的汗液葡萄糖浓度变化趋势与商用血糖仪测得的血糖变化趋势具有良好的相关性。餐后观察到的汗液葡萄糖上升趋势与生理预期一致。这证明了多参数同步监测与交叉校准策略对于获得准确、可靠的生理信息至关重要。
第五，研究的结论与价值
本研究的结论是，成功开发并验证了一种创新的、基于纸张的可绘制MXene增强型有机生物FET多参数传感贴片。该贴片能够以非侵入方式，同时、连续、实时地监测人体汗液中的葡萄糖、pH和温度。
科学价值： 1. 方法学创新：提出了“用画笔在纸上绘制电子器件”的简易制造范式，为低成本、大批量生产柔性生物电子器件提供了新思路。 2. 材料创新：系统性地探索了Ti₃C₂ MXene与多种碳纳米材料（MWCNT, rGO）及金属氧化物（CuO）的复合材料在生物FET沟道中的应用，阐明了其对提升传感器灵敏度、选择性和稳定性的协同增强机制。 3. 器件结构优化：通过对比研究，明确了背栅FET结构在纸基生物传感应用中的性能优势，为其结构设计提供了理论依据和实验支持。 4. 系统集成与校准策略：展示了将多参数传感、无线通信、数据处理与交叉校准算法集成为一体化可穿戴系统的可行性，为解决汗液分析中因生理变量干扰导致的测量不准确问题提供了有效方案。
应用价值： 1. 个性化健康管理：该技术为实现长期、连续、无痛的个人血糖及代谢状态监测铺平了道路，尤其适用于糖尿病患者的日常管理。 2. 运动与健身科学：可用于运动员的生理状态监控，实时分析运动中汗液成分的变化。 3. 低成本医疗诊断：由于纸张成本极低且制造工艺简单，该传感器具有实现大规模、 disposable（一次性使用）应用的潜力，适合在资源有限的环境下推广。 4. 柔性电子皮肤（E-skin）：该研究是迈向多功能、舒适集成电子皮肤的重要一步。
第六，研究的亮点
第七，其他有价值的内容
文中还提供了丰富的支持信息（Supplementary Information），可能包括更详细的制造步骤示意图（Figure S1， S2）、PCB和无线设备细节（Figure S3）、手机应用界面（Figure S4）、传感机理示意图（Figure S5）、元素分布映射图（Figure S6）、与商用血糖仪的对比数据（Figure S7）、柔性测试结果（Figure S8）、动态监测曲线（Figure S9）、校准因子的详细推导过程（Sect. 5.1, 5.2及Figure S10, S11）等。这些内容为其他研究者复现和深入理解本研究提供了宝贵的资料。此外，论文在引言部分对生物传感器（特别是葡萄糖传感器）的分类（酶/非酶、侵入/非侵入、电化学/光学/生物电子）进行了清晰的梳理，并简要回顾了FET生物传感器和纸基电子学的发展背景，具有很好的参考价值。