葡萄糖檢測廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、食品和環(huán)境領(lǐng)域。盡管基于葡萄糖氧化酶的光化學(xué)分析和電化學(xué)分析的傳感器已經(jīng)商業(yè)化，但酶活性常會隨著環(huán)境的變化降低甚至失活，嚴(yán)重制約著傳感器的使用壽命并造成較高成本。除傳感電極本身外，電源和信號處理模塊也是葡萄糖傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，但這些部件通常體積大、復(fù)雜且昂貴，使得研發(fā)面向現(xiàn)場快速檢測的便攜式、小型化的葡萄糖檢測系統(tǒng)面臨多重困難。此外，作為血糖狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測理想的解決方案，未來發(fā)展可植入式的微型檢測系統(tǒng)也需要解決電化學(xué)傳感器的供電問題、弱電信號的高效放大和顯示等問題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，湖南大學(xué)翁群紅教授等人通過微電子打印的方法設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種集成微型鋅離子電型池（ZIMB）和葡萄糖傳感器的微系統(tǒng)（iGS-ZIMB）。ZIMB作為傳感器和系統(tǒng)的微型供電器件，為傳感器的供電問題提供了一種有效的解決方案，實(shí)現(xiàn)了血糖的現(xiàn)場快速檢測。系統(tǒng)所集成的ZIMB具有247.3μWh/cm2的能量密度和1193μW/cm2的功率密度，其集成的傳感器擁有高達(dá)464.2μA/mM/cm2的靈敏度，0.5-6.0mM的寬線性范圍，以及優(yōu)異的檢測重現(xiàn)性。通過簡單的信號放大電路設(shè)計(jì)，可以在1.6秒的響應(yīng)時間內(nèi)顯示目標(biāo)樣品的葡萄糖濃度。該iGS-ZIMB微系統(tǒng)在效率和成本方面具有突出的優(yōu)勢，在現(xiàn)場檢測、醫(yī)學(xué)診斷、健康等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。工作以“Integration of all-printed zinc ion microbattery and glucose sensor toward onsite quick detections”為題在線發(fā)表在SusMat上。

圖1 集成葡萄糖傳感器（GS）和鋅離子微電池（iGS-ZIMB）的葡萄糖檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究人員首先通過配制不同電極材料的打印墨水，實(shí)現(xiàn)了iGS-ZIMB的圖案化、全印刷制備。得益于印制墨水的良好性能，研究人員實(shí)現(xiàn)了面積小至0.35mm2的微型鋅離子電池的制備，并取得了較好的分辨率，實(shí)現(xiàn)了器件的串并聯(lián)打印并滿足不同的應(yīng)用場景需求。這表明印刷器件在廣泛分布的儲能器件和集成電路領(lǐng)域的可行性與巨大應(yīng)用潛力。圖2f闡述了iGS-ZIMB的工作機(jī)理，基于不同可逆的氧化還原反應(yīng)，該微系統(tǒng)可以同時實(shí)現(xiàn)能量儲存與葡萄糖檢測。與傳統(tǒng)的傳感器和電池獨(dú)立排布的布局相比，iGS-ZIMB這種設(shè)計(jì)極大地減少了器件的占地面積、縮短了電流和信號的傳輸距離，有利于綜合電化學(xué)性能的提升。

圖2 全印刷的集成葡萄糖傳感器和鋅離子微型電池的制備

接著，研究人員對印刷的葡萄糖傳感器和微型鋅離子電池分別進(jìn)行電化學(xué)性能研究。基于氧化銅的印刷葡萄糖傳感器展現(xiàn)出高達(dá)464.2μA/mM/cm2的靈敏度，并具有極快的響應(yīng)時間（小于1.4s），這樣出色的響應(yīng)時間源于工作電極和對電極之間較短的間距，以及CuO納米顆粒和集流體之間的緊密接觸。此外由于氧化銅材料穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，傳感器展現(xiàn)出良好的抗干擾能力、優(yōu)異的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

圖3 印制葡萄糖傳感器和微型鋅離子電池的電化學(xué)性能

作為整個系統(tǒng)供能單元的微型鋅離子電池對系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是至關(guān)重要的。通過打印條件優(yōu)化，所制備的微型鋅離子電池在0.1mA/cm2的電流密度下比容量為181.1μAh/cm2。后續(xù)的電化學(xué)測試表明所制備的電池具有出色的倍率性能，良好的循環(huán)穩(wěn)定性以及柔性，這為后續(xù)向整個檢測系統(tǒng)穩(wěn)定供能提供了可能。

在集成傳感器和供電器件后，葡萄糖傳感器的信號處理和顯示是另一個挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的策略主要依靠外部的電化學(xué)工作站、萬用表或?qū)ｉT的信號處理系統(tǒng)來放大微弱的電位或電流變化。然而，這些方案的缺點(diǎn)也很明顯，即它們通常體積龐大、復(fù)雜、昂貴，不利于開發(fā)用于現(xiàn)場分析檢測的小型化、集成化和便攜式設(shè)備。對此，研究人員采用了一種簡單的電路設(shè)計(jì)來放大電化學(xué)信號并顯示葡萄糖濃度。該系統(tǒng)的工作邏輯如圖4所示，當(dāng)傳感器檢測到葡萄糖的濃度超過設(shè)定極限時，電流的增加使放大電路導(dǎo)通，顯示模塊被點(diǎn)亮。基于放大電路中不同濃度檢測極限的設(shè)定，可以通過顯示模塊的點(diǎn)亮與否來檢測葡萄糖濃度范圍，同時也保持著對葡萄糖的快速響應(yīng)（<1.6s）。

圖4 葡萄糖檢測微系統(tǒng)的構(gòu)建

為了進(jìn)一步測定葡萄糖濃度，研究人員提出并構(gòu)建了一種由四個獨(dú)立iGS-ZIMB并行排布陣列的檢測系統(tǒng)。其中每個設(shè)定不同的ON/OFF濃度閥值，通過相應(yīng)的顯示狀態(tài)來檢測葡萄糖濃度。如圖5b所示，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對不同濃度葡萄糖的檢測與顯示，不同設(shè)定濃度檢測限下電流的變化也證實(shí)了該檢測系統(tǒng)運(yùn)行得穩(wěn)定性。此外研究人員還對血清樣品進(jìn)行了測試，葡萄糖傳感器在現(xiàn)場檢測中表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確度、快速的響應(yīng)（<3.7s）。

圖5 陣列式葡萄糖檢測系統(tǒng)的構(gòu)建

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種集成化、小型便攜式的葡萄糖檢測系統(tǒng)用于現(xiàn)場快速檢測。與常見葡萄糖分析儀不同，所設(shè)計(jì)的集成葡萄糖非酶電化學(xué)傳感器和微型鋅離子電池的微型系統(tǒng)通過簡單的放大電路有效地實(shí)現(xiàn)了葡萄糖濃度的檢測和顯示。整個系統(tǒng)具有較好的檢測靈敏度、線性范圍、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。在用于血清樣品分析時，依然保持著較短的響應(yīng)時間（<3.7秒），顯示了該微型檢測系統(tǒng)在實(shí)際現(xiàn)場快速測量方面的可行性和潛力。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/sus2.59

審核編輯 ：李倩