专访南科大林苑菁 | 开发耐水洗传感器，大幅提升稳定性和灵敏度

诸如智能手表、运动手环等传统可穿戴设备已在生活中屡见不鲜，这类设备可以测量人体的重要生命体征，包括心率、血压、体温、睡眠质量等，并将数据直观地反映在显示器上，让用户即时获取监测数据与信息。但它们一般采用刚性材料，无法满足用户的多样需求。

与传统可穿戴设备不同，柔性可穿戴设备采用柔软材料制成，能更好地贴合人体形态，提高电化学信号的检测准确性；此外，柔性设计还提高了穿戴设备的舒适性，尤其是在长期佩戴和大面积覆盖需求的场景下，相比传统刚性设备，柔性穿戴设备能提供更好的透气性和透水性，减轻对皮肤的不适感。

其中，柔性微纳传感器作为柔性电子技术的重要组成部分，彻底改变了传统刚性器件的物理形态，极大地促进了人、机器和环境之间的互联互通，对智能电子技术的发展起到了至关重要的作用。

日前，南方科技大学深港微电子学院助理教授林苑菁在 Device 发文，在柔性微纳生物传感器件与系统领域取得新进展。

借此机会，生辉联系到林苑菁，就高性能生物传感器，及微纳器件集成等聊了聊。林苑菁于 2020 年加入南方科技大学深港微电子学院，建立柔性微纳器件实验室。研究立足于数字健康需求，致力于将材料制备、器件优化、大数据智能分析与移动式健康医疗监测应用结合，利用纳米材料及柔性制备技术实现微纳传感器、能源存储器件及可穿戴智能集成系统等。

增强传感器的灵敏度和稳定性

柔性微纳器件是指那些在微米或纳米尺度上制造的，能够弯曲、扭曲或拉伸而不影响其功能的电子或机械器件。这些器件通常由柔性材料制成，能够与柔性基底集成，以实现可弯曲和可穿戴的电子设备。用于生理指标监测，健康状态的快速、实时监测，或者实现预防式的个性化健康管理等。

柔性微纳器件包含了传感器、能源转化（例如太阳能电池、纳米发电机）及存储器件（例如可充电电池、超级电容）、晶体管、显示器件等，这些器件的有机集成可以实现用途广泛的可穿戴柔性电子应用。

电化学生物传感器是定量分析体液中生化分析物的有力工具，为基础研究和医疗应用提供动态生理过程的数字数据。然而，高性能的电化学生物传感器需要满足高选择性、高灵敏度、高稳定性。

林苑菁介绍道，“在选择性方面，现有电化学传感器主要基于高选择性酶等载体，针对特定理化指标，已实现高选择性检测功能；在灵敏度方面，传统微纳制备工艺采用平面结构电极，活性反应面积较小，仅适用于高浓度体液（如血液）检测。而无创采集体液中生理标志物（如小分子代谢物、电解质离子等）浓度低，可达微摩尔（µM）及更低浓度级别，超出平面结构传感器检测范围；在稳定性方面，传统平面结构电极传感器易在界面产生电荷累积，影响长时间监测准确性；同时，传感器上活性酶的流失使传感器难以实现长期应用。”

因此，灵敏度与稳定性的问题需要有效的解决方法，才能实现可靠的实际应用。

如电子织物凭借其卓越的舒适性、透气性和灵活性，在健康监测、运动追踪等领域展现出广阔的应用前景。然而，如何实现高灵敏度且可重复使用的织物基生物传感器，仍然面临诸多技术挑战。传统的可穿戴生物传感器通常依赖刚性材料或采用封装方式来保护传感器免受外界环境的影响，但这类方法往往导致透气性差、舒适度低、体积笨重等问题。此外，这些传感器在洗涤过程中容易出现功能损失，特别是在需要长期佩戴和频繁清洗的情况下，其耐用性和稳定性难以得到有效保障。

针对电化学传感器的水洗稳定性问题，林苑菁课题组与香港理工大学合作开发了耐水洗离子选择性传感器，创新性地将具备快离子传输特性的 β-Bi₂O₃ 纳米片电化学沉积到离子选择层上，不仅显著提升了传感器的离子传导效率，还大幅增强了其对机械扰动和洗涤的抗性。该 β-Bi₂O₃ 纳米片的引入，使得传感器在多次洗涤后仍能保持高灵敏度和可靠性，有效改善了以往技术在稳定性方面的不足。

所开发的多种耐水洗传感器（钠离子、钾离子、酸碱度）能够精准监测汗液中的低浓度标志物浓度。即使在高达 20 次的洗涤后，其钠离子传感器的性能保持率仍然超过 90%；传感器具备 58.70 mV/dec 的灵敏响应，在连续 2.5 小时的汗液监测过程中，信号漂移控制在 3.85 mV/h 以内。为织物基可穿戴设备的广泛应用开辟了新路径，也为移动健康监测和远程医疗提供了更加可靠且实用的解决方案。

微纳制造实现多器件集成

为实现高性能生物传感器在可穿戴式无创、远程健康管理的实际应用，亟需实现微纳传感器与集成电路模块、能源模块在柔性基底上的可靠集成，实现信号无线传输与智能分析。

针对多孔结构织物上难以实现高精度电极制备、高密度器件集成的挑战，林苑菁与香港理工大学合作，结合聚合物辅助金属沉积、双面光刻等方法，实现了多孔织物上单片集成无线传感系统。该方法实现了 100 微米的织物电极制备精度，具备优异的导电性、机械稳定性，并保留了织物的可洗性及透气透水性。利用该方法，可在织物上实现多层电子器件集成（如双面温度传感器），以及可对葡萄糖、乳酸、电解质离子进行实时无线监测的全织物集成汗液传感头带，验证了其在医疗监测、健康追踪以及个性化医疗设备等领域的广泛应用潜力。为柔性集成系统的构筑提供了新思路。

针对薄膜基底的柔性传感器件与系统制备，林苑菁联合香港科技大学团队开发了一种基于完全喷墨打印的可穿戴柔性集成系统，实现超高灵敏及稳定性的多模态生物传感阵列。喷墨打印为在柔性和可穿戴平台上构建多个传感器和集成系统提供了所需的兼容性、多功能性和可控性。然而，油墨配方的严格流变标准（粘度和表面张力）使实现具有理想性能的全喷墨打印电化学传感器具有挑战性。

通过对可印刷油墨配方和制造工艺的系统研究，团队对合成的微纳米材料复合墨水进行了优化，包括 Ag、Au、PB、PANI、Graphene、GOX、AOX、PVB、Nafion 和 UV epoxy 油墨，以满足喷墨打印的表面张力和粘度等方面的要求；喷墨打印过程中的液滴辅助工艺可以在层之间产生无缝且均匀的渗透型界面，从而极大提高传感器功能材料层之间的机械稳定性和电子传输。所制备的可打印葡萄糖和酒精传感器的灵敏度分别达到 313.28 µA mM-1cm-2和 0.87 µA mM-1cm-2，并可实现长达 30 小时的连续汗液监测，是目前基于喷墨打印的酶基传感器最优的性能之一。此外，传感阵列中引入酸碱性（pH）与温度校准，提高低浓度生理指标成分分析的准确性。为柔性多模态传感器的可控制备提供新思路。

提及其在临床和产业上的应用时，林苑菁透露，团队设计的电化学传感器打印制备方式不需要设计掩模，可以灵活设计尺寸、图案等，已经有专利授权。另外，基于材料共形沉积的设计策略，实现对微摩尔级别检测下限的高灵敏度、高稳定性电化学传感器，灵敏度相对平面结构的传感器最高提升了 3 个数量级。“我们将这个策略用于制备针对流感病毒、冠状病毒的传感器，实现了水体污染物快速检测领域的转化应用。”

1.https://www.frontiersin.org/journals/materials/articles/10.3389/fmats.2020.583739/full

2.http://www.semi.cas.cn/2017xshd_136831/202303/t20230306_6688837.html

3.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/nr/d3nr06099c/

4.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202311106

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