西北工业大学文丹团队AFM：可穿戴生物燃料电池—从人体汗液中实时收集能量并监测微量代谢标志物

可穿戴传感器的蓬勃发展催生了对高性能可穿戴能源系统的开发。以人体汗液中的代谢物作为燃料，氧气作为氧化剂，通过生物电化学反应将化学能转换为电能的可穿戴生物燃料电池（w-BFC）是一种原位、可持续的产电方式。其独特的工作机制使w-BFC具有优异的生物相容性和卓越的微型化能力，同时在与健康相关汗液标志物的自供能生物传感领域展示出巨大的应用前景，因而备受瞩目。然而，由于人体汗液中代谢物浓度低（通常是µM水平）以及生物酶催化的不稳定性，亟需发展一种在体表高效并稳定工作的w-BFC，以实现汗液中痕量标志物的可穿戴灵敏检测。

近日，西北工业大学文丹教授团队报道了基于金属凝胶的w-BFC用于人体汗液标志物抗坏血酸（AA）的自供能监测。具体而言，设计Au-rGO双重凝胶作为阳极敏感材料，实现了AA的直接电催化氧化；设计PtCu (1:1)凝胶作为阴极敏感材料，实现了生理条件下氧气（O 2）的高效电催化还原。实验结果和理论计算共同揭示了金属凝胶在阳极氧化、阴极还原上电催化性能优越的内在原因。由此组装的AA/O 2 BFC输出功率高（35 µW cm ‒2@0.5 mM AA）、稳定性好（30天后仅衰减8.7%），并基于底物效应，实现了AA的自供能检测（线性范围：10-1000 μM，检测下限：1.0 μM（S/N=3））。在体可穿戴测试表明，该AA/O 2 w-BFC能够以人体汗液中的痕量AA作为燃料驱动其工作，高效稳定且具有良好的柔韧性；同时借助智能终端，实现人体AA水平的无痛感、实时监测。相关工作以“Metal Hydrogel-Based Integrated Wearable Biofuel Cell for Self-Powered Epidermal Sweat Biomarker Monitoring”为题发表在在国际知名期刊Advanced Functional Materials上。

【阴极催化剂PtCu(1:1)凝胶的表征】

通过NaBH 4调控快速反应动力学，成功合成了表面清洁的PtCu (1:1)水凝胶。SEM和TEM表征说明PtCu (1:1)凝胶呈现相互交联的纳米线网络结构，符合气凝胶的典型形貌特征。XRD则说明在所制备的样品中形成了均匀的PtCu合金相。在XPS中，Pt 4f的结合能向高场偏移，Cu 2p的结合能向低场偏移，结合能的变化导致d带中心的偏移，从而优化含氧物种在Pt表面的吸附，进而提升ORR催化活性。

【阳极AA氧化及阴极O2还原电催化性能评估】

以Au-rGO双重凝胶作为阳极敏感材料，实现了AA的直接电催化氧化（氧化起始电位：-0.08 V，氧化电流：92 μA cm −2@-0.03 V），理论计算表明，高效的AA电催化氧化性能的根本原因在于相对较低的反应能垒、良好的导电性以及最佳的AA吸附能力。以PtCu (1:1)凝胶作为阴极敏感材料，表现出明显提升的生理条件下ORR的催化性能（还原起始电位：0.36 V，还原电流：417 µA cm ‒2@0.18 V），理论计算表明，PtCu (1:1)凝胶在ORR过程中不仅具有最低的反应能垒而且具有最佳的O 2的吸附。

【AA/O2 BFC的构建及自供能传感】

基于上述阴、阳极，构建了AA/O 2 BFC。研究结果表明，在空气饱和的0.5 mM AA溶液中，该BFC短路电流密度为200 µA cm ‒2，最大输出功率密度为35 µW cm ‒2；即使经过长达一个月的存储周期，与初始状态相比，该BFC的开路电位仅衰减了8.7%。基于底物效应，BFC的输出功率高度依赖燃料的浓度。因此，通过BFC输出功率的变化可以实现AA的自供能检测（线性范围：10-1000 μM，检测下限：1.0 μM（S/N=3）），同时，该传感器具备良好的选择性及重现性。

【w-AA/O2 BFC及AA实时监测】

对可穿戴感器件而言，良好的柔韧性（如弯折、扭曲等形变）对其传感性能至关重要。不同弯曲角度对输出信号的响应可以忽略不计，这充分说明由基本单元所组装而成交联网络结构的金属凝胶具备内在柔韧性，能够应对实际应用中机械应变对测试信号的干扰。通过无线数据传输，成功实现了人体汗液AA的实时监测，并得到了商业化高效液相色谱的验证。此外，进一步探究了人体汗液中AA水平变化与摄入富含维生素C饮食的相关性。

【小结】

该工作基于金属凝胶构建了输出功率高、稳定性持久的w-AA/O 2 BFC，集“能量收集”和“传感监测”于一体，实现了表皮汗液生物标志物AA的自供能监测。通过合理设计对汗液中其他代谢物直接氧化的高效电催化剂，可以扩展至其它生物标志物的自供能检测，进一步凸显了该策略的普适性。因此，本工作发展的w-BFC有望为未来的可穿戴电子设备和健康管理提供简便、可行的解决方案。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202404329

来源：高分子科学前沿

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