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柔性生物电子学广泛应用于现代可便携电子设备、软体仿生机器人、健身监测系统，这些设备应满足集成化、轻巧、柔性和自供能的综合特征。为实现这一目标，将定制材料和工程理念纳入柔性生物电子学的新设计中是至关重要的。推进全集成柔性设备的一个关键难题是缺乏能量供给。常见的方法包括(1)提高柔性储能设备的体积容量和功率密度；(2)将周围能量转化为电能收集。其中，将人类生物液体中可用的生化能量转化为电能的酶生物燃料电池(BFCs)是最有效的能源生产替代品之一。更重要的是，BFCs不仅可以作为能量转换装置，还可以作为自供电的电化学生物传感器，推动小型化设备发展。
Screen-Printable Functional Nanomaterials for Flexible and Wearable Single-Enzyme-Based Energy-Harvesting and Self-Powered Biosensing Devices
Kornautchaya Veenuttranon, Kanyawee Kaewpradub & Itthipon Jeerapan*
Nano-Micro Letters (2023)15: 85
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01045-1
1. 设计了一种丝网印刷的功能性纳米复合材料油墨，用于单酶的能量收集和自供能的柔性生物传感装置。
2. 开发了同一种生物基质(葡萄糖)的驱动，作为一个自供能的电化学葡萄糖用来在生物流体模型中收集能量。
3. 所定制的油墨在与柔性材料的整合方面具有优势，可以集成在各种可穿戴设备和软体生物电子器件中。开发柔性生物电子学对于实现人工智能设备和生物医学应用(如可穿戴设备)至关重要，但其潜力受到可持续供能的限制。酶法生物燃料电池(BFC)在供电方面很有前景，但其开发受到整合多种酶和刚性平台的限制。泰国宋卡王子大学Itthipon Jeerapan首次展示一种可丝网印刷的纳米复合材料油墨，该油墨被设计为一个基于单酶的能量收集装置和一个由葡萄糖驱动的生物阳极和阴极的自供能生物传感器。阳极油墨用萘醌和多壁碳纳米管(MWCNTs)改性，而阴极油墨在固定葡萄糖氧化酶之前用普鲁士蓝/MWCNT混合体改性，得到柔性生物阳极和生物阴极消耗葡萄糖。这种BFC产生的开路电压为0.45 V，最大功率密度为266 μW cm⁻²。该可穿戴设备与无线便携系统相结合，可以将化学能转化为电能，检测人工汗液中的葡萄糖。这个自供电的传感器可以检测到高达10 mM的葡萄糖浓度。常见的干扰物质，包括乳酸、尿酸、抗坏血酸和肌酐，对这种自供电的生物传感器没有影响。此外，该装置可以承受多种机械变形。开发新油墨和柔性平台使便携电子设备、自供能和智能织物大规模应用成为可能。单酶BFC的运行机制是基于在生物阳极由GOx催化的葡萄糖氧化，而在生物阴极由普鲁士蓝(PB)基纳米复合材料催化的H₂O₂还原(图1)。葡萄糖被选为这两个区间的模型。在温和的生理介质和环境温度下，运行BFC将葡萄糖(一种生物燃料)转化为电能。在生物阳极，当葡萄糖与GOx的活性位点相互作用时发生氧化反应，导致电子通过NQ(一种氧化还原介质)向印刷的纳米复合材料电极转移(图1a)。创新设计丝网印刷功能油墨来支持阳极和阴极，开发一个高度灵活的能量收集装置和自供电的生物传感器(图1b)。为提高BFC性能，在油墨配方中添加具有额外功能材料，从而获得良好附着力的同时保持高导电性。该工作的BFC模型如图1c所示，利用新的油墨配方和印刷电极表面的生物电化学反应，将化学能转化为电能，从而产生电流和功率(图1d，顶部)。这种氧化还原反应的电能与燃料(葡萄糖)浓度成正比。因此，该装置也可以作为自供能生物传感器来测定葡萄糖浓度(图1d，底部)。
图1. 一个基于柔性丝网印刷单酶系统，用于收集葡萄糖的能量和自供电感应葡萄糖的概述：(a)丝网印刷的葡萄糖BFC组件以及在生物阳极和生物阴极上发生的氧化还原反应；(b)阳极和阴极的丝网印刷油墨的制备；(c)在(1) PET，(2)可拉伸织物(臂套)，(3)手套(指尖)和(4)可拉伸表皮纹身上的丝网印刷的葡萄糖BFC的照片。如图2a所示，通过SEM证实MWCNTs和石墨颗粒被均匀地分散在阳极中。图2b显示的CV曲线表明基体所嵌入的NQ具有准可逆的氧化还原能力，在pH 7.0时的形式电位(E1/2)为-0.12 V。NQ/MWCNT基阳极的CVs曲线保持稳定，证实基于NQ/MWCNT的电极具有良好的速率性(图2c)。如图2d所示，由此产生的阳极和阴极峰值电流与扫描速率的平方根成正比，表明由扩散控制NQ/MWCNT基的阳极上反应过程。从图2e给出的伏安图(虚线)中可以看出，没有葡萄糖的情况下可在-0.17 V左右观察到一个可逆的峰值。在葡萄糖的存在下，氧化还原系统在0 V左右的氧化峰电流增加，而还原峰强度下降(图2e，实线)。此外，研究GOx/NQ/MWCNT基生物阳极上的葡萄糖氧化的电催化活性(图2f)，在0–150 mM葡萄糖的大范围内随着浓度的上升引起阳极电流增大。如图2g所示，单个生物节点作为介导的葡萄糖生物传感器校准图表明在1.5–20 mM范围内具有线性关系(R²= 0.8988)。线性范围的灵敏度为0.0073 μA mM⁻¹。如图2h显示一种明显的Michaelis-Menten依赖性，这与酶的动力学相吻合。从双倒数图的直线(使用斜率和Y截距)值为2.47 mM，证实固定在生物阳极上的GOx对葡萄糖具有高亲和力。![]()
图2. 阳极的表征：(a)丝网印刷的NQ/MWCNT基阳极在(1)低倍镜和(2)高倍镜下的SEM图像；(b)丝网印刷的NQ/MWCNT基阳极在0；(c)丝网印刷的NQ/MWCNT基阳极在0.1M PBS，pH 7.0中以10–200 mV s⁻¹的不同扫描速率获得的CV(扫描速率1–9)；(d)在丝网印刷的NQ/MWCNT基阳极上获得的阳极峰值电流密度与扫描速率的平方根的函数图；(e)基于丝网印刷的GOx/NQ/MWCNT的生物阳极在(1–3)0、10和100 mM葡萄糖在0.1 M PBS，pH 7.0中的扫描速率为5 mV s⁻¹时获得的CV；(f)基于丝网印刷的GOx/NQ/MWCNT的生物阳极在施加电位为0.3 V与Ag/AgCl在增加葡萄糖浓度((1) 1.0 mM、(2) 1.5 mM、(3) 2.0 mM、(4) 5.0 mM、(5) 10 mM、(6) 20 mM、(7) 50 mM、(8) 100 mM和(9) 150 mM)时的反应；(g)基于GOx/NQ/MWCNT的生物节点的电流响应的相应校准图；(h)基于GOx/NQ/MWCNT的生物节点得到的校准曲线的双倒数图。通过SEM图像表明PB/MWCNT基阴极呈现出分布均匀、直径约为250 nm的PB纳米颗粒(图3a)。图3b显示了PB/MWCNT基阴极内的EDX元素分析。从EDX图中可以清楚地看到，Fe元素均匀分布于阴极油墨化合物中(图3b, c)。在图3d中展示FT-IR表征结果，PB/MWCNT中官能团分别归因于水的H–O–H弯曲，C≡N拉伸，水的O–H拉伸，Fe–O键和Fe²⁺–CN–Fe³⁺弯曲，对应的吸收峰在3443，2084，1622，600和502cm⁻¹。图3e展示了PB/MWCNT的电化学性质，在CV中清楚地观察到两个氧化还原对，这与两个可逆的氧化还原反应有关。丝网印刷的PB/MWCNT基阴极的CVs图表明Fe³⁺/²⁺在PB中的准可逆氧化反应在图3f中充分展示，并且阳极和阴极峰值电流的比率(Ic/Ia比率)几乎为1(范围为0.9至1.1)。如图3g所示，这种行为表明扩散控制PB/MWCNT，这与以前对PB改性电极的研究一致。通过线性扫频伏安技术(LSV)研究了丝网印刷的PB/MWCNT基阴极上的H₂O₂的电化学检测。图3h表明H₂O₂引起阴极电流明显增加，这相当于H₂O₂在相对于Ag/AgCl的~80 mV处被还原。图3i显示，当葡萄糖浓度从0.1增加到50 mM时，还原电流增加。在图3j中，单个生物阴极的校准图在1.5–20 mM的葡萄糖范围内显示出良好的线性关系(R²=0.9645)。从线性范围内灵敏度为0.4738 μA mM⁻¹。图3k表明生物阴极上的Kappm值为2.99 mM，这与葡萄糖检测PB/MWCNT改性电极报告相当。因此，该工作所提出的酶法BFCs可以对葡萄糖提供高的GOx亲和力。![]()
图3. 阴极的表征：(a)基于丝网印刷的PB/MWCNT阴极的(1)低倍和(2)高倍SEM图像；(b) SEM图像(1)与(2) PB/MWCNT基阴极中Fe元素的EDX图谱；(c) PB/MWCNT基阴极的EDX光谱；(d) (1) MWCNT和(2) PB/MWCNT的FT-IR光谱；(e)从(黑线)玻璃碳(GC)电极和(红线)PB/MWCNT涂层的GC电极在0.1 M PBS，pH 7.0，扫描速率为50 mV s⁻¹获得的CVs曲线；(f)丝网印刷的PB/MWCNT基阴极在0.1 M PBS, pH 7.0中，从10到200 mV s⁻¹的不同扫描速率下得到的CVs(扫描速率(1–9)：10、25、50、75、100、125、150、175和200 mV s⁻¹)；(g)在丝网印刷的PB/MWCNT基阴极上获得的阴极峰值电流密度与扫描速率平方根的函数图；(h)丝网印刷的PB/MWCNT阴极在H₂O₂ (1)空白、(2) 0.5 mM、(3) 2 mM和(4) 5 mM条件下，扫描速率为5 mV s⁻¹时获得的LSVs；(i)基于丝网印刷的GOx/PB/MWCNT生物阴极在葡萄糖浓度增加((1) 0.1 mM、(2) 0.2 mM、(3) 0.5 mM、(4) 1 mM、(5) 1.5 mM、(6) 2 mM、(7) 5 mM、(8) 10 mM、(9) 20 mM以及(10) 50 mM)时对Ag/AgCl的安培响应；(j)基于GOx/PB/MWCNT的生物阴极的电流响应的相应校准图；(k)从基于GOx/PB/MWCNT的生物阴极获得的校准曲线的双倒数图。
IV BFC和自供电葡萄糖生物传感器的研究
通过使用基于GOx/NQ/MWCNT生物阳极和GOx/PB/MWCNT生物阴极，在不同的葡萄糖浓度下对丝网印刷葡萄糖BFC的性能进行评估。图4a和b显示，在0.20 V的电压下，获得的最大电流密度和功率输出分别达到约1.3 mA cm⁻²和266 μW cm⁻²。具有理想的导电性和电催化特性的定制纳米复合材料油墨带来这种高电流密度和高功率密度。图4c显示，在0–20 mM的葡萄糖浓度范围内，葡萄糖浓度的升高与功率密度之间存在着良好的关系，其灵敏度(2.1 ± 0.1 μW cm⁻² mM⁻¹)，相关系数为0.9812。无需任何外部施加的电压的BFC(图4d)，通过连续添加葡萄糖观察其自身产生的电流反应范围为0–10 mM(图4e, f)。自身产生的电流信号的校准图显示，在1.5 mM的葡萄糖范围内具有线性(R²= 0.8703)，灵敏度为0.026 ± 0.004 μA cm⁻² mM⁻¹。图4. 一个BFC和一个自供电的葡萄糖生物传感器：(a)丝网印刷的葡萄糖生物传感器在不同的葡萄糖浓度(1)空白、(2) 1 mM、(3) 2 mM、(4) 5 mM、(5) 10 mM和(6) 20 mM下在0.1 M PBS，pH 7.0中的极化曲线；(b)在0.1 M PBS，pH 7.0中，不同浓度的葡萄糖(1)空白、(2) 1 mM、(3) 2 mM、(4) 5 mM、(5) 10 mM和(6) 20 mM丝网印刷葡萄糖BFC的功率密度与电位图；(c)功率和葡萄糖浓度的相应校准图；(d)自供电的生物传感电子系统示意图；(e)丝网印刷的葡萄糖BFC的自发电流反应，在0.1 M PBS，pH 7.0中增加葡萄糖浓度(0、0.05、0.1、0.5、1、1.5、2、5和10 mM)时没有施加电位，电极间的恒定负载为99.7 kΩ时观察到的电压；(f)丝网印刷的葡萄糖BFC的电流响应和葡萄糖浓度的相应校准图。V 自供电生物传感器的选择性研究
通过测量在人体汗液中可能会干扰葡萄糖测定的常见成分的正常水平下自发产生的电流输出，研究丝网印刷的葡萄糖BFC的选择性。如图5a所示，由于基于GOx的BFC对葡萄糖的特异性，丝网印刷的葡萄糖BFC在乳酸、尿酸、抗坏血酸和肌酐存在的情况下具有高选择性。为演示可穿戴柔性生物传感器的概念，将BFC印在手臂袖子上通过无线设备获得实时数据来检测身体上汗水。该系统包括一个丝网印刷的BFC，一个作为负载电阻，以及用于测量电压输出的紧凑型无线设备(图5b)。图5c显示了由BFC本身产生的便携式无线系统在人工汗液中连续添加0–10 mM范围内的葡萄糖后得到的电压响应，显示出与葡萄糖浓度增加良好的关系，R²= 0.9737(图5d)。从非线性校准图中得到的最大电压与双倒数图的回归值相当，这呈现一个良好的线性关系(图5e)。通过在一个含有人工汗液中的葡萄糖系统中考察其连续操作稳定性。BFC在最初几个小时内显示出自发电压的增加，随后在第10 h后缓慢下降(图5f)，这些电压输出结果证实BFC的长期运行稳定性。
图5. 一个灵活的基于单酶的能量收集装置和自供电的生物传感器的应用：(a)从丝网印刷的葡萄糖BFC获得的自发电流反应，在加入干扰物(14 mM乳酸、59 μM尿酸、10 μM抗坏血酸和84 μM肌酐)时没有应用电位，在电极间99.7 kΩ的恒定负载下观察到电流；(b)在臂套的可拉伸织物上丝网印刷的葡萄糖BFC的示意图，以及该系统的电路；(c)从丝网印刷的葡萄糖BFC和无线电压表获得的自发电压输出，在增加人工汗液中的葡萄糖浓度(0、0.2、0.5、1、5和10 mM)时没有外加电位，电极间的恒定负载为99.7 kΩ时观察到的电压；(d)自身产生的电压输出和葡萄糖浓度的相应校准图；(e)校准曲线的双倒数图(扣除背景)；(f)丝网印刷的葡萄糖BFC在人工汗液中存在5 mM葡萄糖的情况下15 h内的操作稳定性，以及测试单元和电路系统的示意图。
VI 机械弹性
图6a显示了丝网印刷的阳极和阴极在以每个弯曲周期8 s的速度从0°到90°到180°反复弯曲并回到其放松状态后的电阻变化。当电极从0°弯曲到90°时，电阻变化(R/R0)值比初始值略有增加，变化范围为0.9–1.1；在180°弯曲时，电阻R/R0范围在0.8和1.2之间。然而，这只发生在弯曲过程中；在放松到0°后，电阻又可以恢复到其初始值。在180°的多次弯曲下进行150次电化学耐力循环(图6b)。BFC本身产生的电位和电流反应在90次弯曲时保持不变，随后在100次弯曲循环后保持83%以上的性能。在反复的机械变形后，没有观察到电气和电化学方面的实质性疲劳失效。这表明，我们的丝网印刷油墨具有高度稳定的性能和机械弹性，适合于可穿戴和各种应用。
图6. 丝网印刷装置在多种变形下的电气和电化学稳定性：(a) PET材料上丝网印刷的阳极和阴极在0°、90°、180°和0°弯曲时的重复机械变形；(b)丝网印刷的葡萄糖BFC在180°弯曲的一系列变形后，在人工汗液中含有5 mM葡萄糖条件下，没有施加电位得到的电压输出和电流，电极间的恒定负载为99.7 kΩ时观察到的电压。
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本文通讯作者
泰国宋卡王子大学 助理教授
可穿戴汗液传感器、实时监测汗液中的葡萄糖和乳酸、自供电乳酸生物传感器、可伸缩生物燃料电池作为可穿戴纺织品自供电传感器。
▍主要研究成果
泰国宋卡王子大学化学系助理教授，是泰国痕量分析和生物传感器卓越中心、电化学学会(ECS)的成员，分别于2016年和2019年在加州大学圣地亚哥分校Wang的纳米生物电子学实验室拿到理学硕士(纳米工程)和博士学位。曾获得泰国国家研究委员会认可的优秀论文奖，是Nature Communications、Biosensors and Bioelectronics、Sensors、Biosensors、Energies、Critical Reviews in Analytical Chemistry、Nanomaterials、Nano-Micro Letters、Electronics、Applied Sciences等国际期刊的特邀审稿人。▍Email：ijeerapa@ucsd.edu
撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部
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