智能可穿戴传感：基于大面积高精度的生物传感

可穿戴传感设备可以通过对物理参数和生物体液（例如唾液，眼泪，汗水和呼吸）进行监测，从而实现人体生理信号的无创监测，在个性化监测和医疗保健领域引起了人们极大的兴趣。

为了实现对于人体信号的检测，可穿戴的电子设备需要多种工艺和技术的集成，包括电化学，微流体技术，尤其柔性电子学等领域。尽管该领域取得了巨大进展，但生理环境和生物/非生物界面的复杂性仍然使该领域面临巨大挑战，包括样品最佳采集效果，设备连续化工作能力，电学信号干扰等。此种情况下，如通过可穿戴贴片、微流体设备、腕带等建议设备实现连续化体征信号检测，进而实现监测整个生理反应和个体发展趋势，就会非常重要。

近期，美国Tufts University的研究人员通过在可穿戴衬底上印刷具有生物活性的高精度生物传感结构从而实现实时进行生物分子的局域化检测，这项工作主要是基于他们之前的可用于喷墨打印的具有生物活性的油墨的开发工作，并可以在多种基地材料上实现类似的检测功能。这种油墨材料在不同的条件下可以发生颜色变化，当周围的环境发生变化时候，或者释放特定的分子时候，具有生物活性的传感材料可以与之发生反应，从而发生颜色的变化。通常这种方式叫做比色传感。

尽管比色传感存在已知的局限性，例如只能检测分析物的存在与否，难以进行定量化分析。但是该方法对于分析物的快速检测仍然有效，特别是结合图像分析和多路复用采样技术，能够获得较高的特异性和灵敏性。

这项工作的目的是通过设计一种化学/生物活性油墨配方，通过简单的丝网印刷工艺实现大面积的生物传感检测。丝网印刷作为一种最成熟的印刷工艺可以在木材，塑料，纸和纺织品等多种基材表面印刷图案，图案尺寸可从几百微米到几十米不同。例如，通过印刷导电油墨作为可穿戴电化学装置的电极层。基于自然的生物材料通常可用水作为溶剂，并且可以在室温下进行处理操作，因此能够与不稳定传感分子结合，并保持良好的稳定性。通过此种方式配置的丝网印刷油墨具有良好的生物活性和稳定性。

图1 丝网印刷的样品在不同尺寸下的图形示例。a）油墨配制与印刷过程示意图，b）丝绸布料上的丝网印刷图案的分辨率（从1.25 mm到250 µm）。c–e）在不同衬底材料上丝网印刷获得的pH检测布料的图片，（c）纸张，（d）围巾和（e）挂毯。

图2 通过多光谱相机记录实时监测比色分布传感器的pH值变化。a，b）T恤衫的上背部（a）和下背部（b）的pH值变化前后对比。c）由于pH值变化，T恤衫下背部的颜色信号也发生了明显的改变。

图3T恤背面的分布式丝网印刷比色pH传感器的照片

图4 在布料上丝网印刷的生物材料油墨，并且通过比色法检测乳酸和HRP活性变化