在当今数字化与个性化医疗的时代，糖尿病患者对血糖的日常管理正经历着一场静默的革命。传统的指尖采血检测虽然准确，但其侵入性、不连续性及不适感，已成为提升患者生活质量和实现精准管理的主要障碍。因此，开发能够实现连续葡萄糖监测（CGM） 的可穿戴、柔性、非侵入或微创 传感设备，成为了科研与产业界共同追逐的“圣杯”。理想的设备应当像皮肤贴片一样舒适、隐形，并能长时间稳定地工作。然而，要将实验室里精密的电化学传感器变成人人都能用得起的日用“创可贴”，面临着诸多挑战：如何以低成本大规模制造？如何保证设备在弯折、拉伸下的稳定性？如何在微型化的同时不牺牲甚至提升检测性能？
为了回答这些难题，一项发表在《Sensors and Actuators Reports》上的研究为我们提供了富有启发性的见解。来自意大利博洛尼亚大学的研究团队没有满足于单一技术路径，而是进行了一场“内部竞赛”：他们系统性地设计、制造并对比了两种最有前景的传感架构——经典的安培型传感器 和新兴的有机电化学晶体管（OECT） 传感器。这两种设备的核心“骨骼”与“神经”均采用同一种明星有机导电材料——聚（3,4-乙烯二氧噻吩）:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS） ，并通过喷墨打印 技术整体制造在柔性的聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN） 基底上，真正实现了“全打印”和“全柔性”。这项研究不仅仅是为了做出一个更好的传感器，更是为了深入理解在不同架构下，信号是如何产生、转换并被放大的，从而为未来可穿戴设备的设计指明方向。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几项关键技术方法：首先是喷墨打印 结合化学气相沉积（CVD） 的微加工工艺，用于在柔性PEN基底上逐层构筑银导线、PEDOT:PSS电极/通道以及Parylene C封装层。其次是传感界面的功能化，关键步骤包括在PEDOT:PSS工作电极/栅电极上恒电位电沉积铂（Pt）纳米颗粒 ，以及滴铸并固定葡萄糖氧化酶（GOx） 。最后是系统的性能表征，利用电化学工作站 进行循环伏安和安培测试，并用源测量单元（SMU） 测量OECT的电学特性，以全面评估传感器的灵敏度、检测限、线性范围、选择性和机械柔性。
优化生物传感界面
研究人员首先建立并优化了标准的葡萄糖传感界面构建流程。他们在喷墨打印的PEDOT:PSS电极上，先电沉积铂纳米颗粒以增强电子传递，然后固定葡萄糖氧化酶，最后用牛血清白蛋白/戊二醛膜封装。通过循环伏安法 测试，他们确认了传感反应的发生，并选定+0.65 V（相对于饱和甘汞电极，SCE）作为安培检测的工作电位。初步测试表明，该传感器在10至1250 µM的葡萄糖浓度范围内呈现良好的线性响应。通过对比恒电位 与动电位 电沉积铂的效果，并结合原子力显微镜（AFM） 观察，他们发现恒电位法能形成更均匀的铂层，从而获得更优的传感性能。研究明确了其传感机制：葡萄糖在酶作用下产生过氧化氢（H2 O2 ），后者在铂的催化下被氧化，产生的电子电流被PEDOT:PSS电极捕获。
优化印刷电极布局
制造工艺的细节深刻影响着传感器的稳定性。研究团队发现，银导线与PEDOT:PSS活性层的连接点位置至关重要。通过调整设计，将连接点上移，成功避免了电解质接触到银层可能引起的干扰性法拉第峰。此外，在利用氧等离子体刻蚀掉封装层以暴露PEDOT:PSS活性区域后，该过程可能对PEDOT:PSS表面造成过度氧化损伤。他们创新性地增加了一步：在刻蚀后的区域重新喷墨打印一层PEDOT:PSS 。结果表明，这一“修复”步骤显著提升了传感器的响应信号和稳定性，证明了后处理工艺对性能的关键影响。
设计与微型化印刷安培型生物传感器
为实现集成化、微型化的安培传感器，需要构建稳定的准参比电极 。研究对比了两种方案：在印刷的银墨迹上形成Ag/AgCl，以及在PEDOT:PSS上电沉积银后再形成Ag/AgCl。虽然两者电位稳定性相近，但基于PEDOT:PSS/Ag/AgCl的准参比电极在传感测试中表现出更低的噪声和更好的线性度，因此被选用。随后，研究将传感器尺寸从第一代（总面积约6 cm2 ）微型化到第二代（总面积约1.7 cm2 ，工作电极面积0.01 cm2 ）。微型化后的B代传感器表现出最佳性能：在0.01至1 mM的宽浓度范围内保持线性响应，灵敏度达到43 mA M-1 cm-2 ，检测限低至18 µM，其性能优于第一代传感器。
设计与微型化印刷有机电化学晶体管生物传感器
研究团队将同样的功能化界面（Pt/GOx）构建在OECT的栅电极上，探索无参比电极的传感架构。他们重点研究了栅极与沟道几何面积比γ对传感性能的影响。通过测量不同γ值下沟道与栅极的电化学电位，他们发现当γ值在0.3-0.4范围内时，由葡萄糖氧化反应产生的法拉第贡献 占主导，而非栅极的伪电容效应 ，从而使传感更有效。基于此，他们设计了微型化的B代OECT（γ=0.29）。该器件在0.01-1 mM葡萄糖浓度范围内也呈现线性响应，凭借晶体管的本征放大 作用，其绝对灵敏度高达12 mA M-1 ，是安培传感器（0.43 mA M-1 ）的约28倍。然而，由于缺乏参比电极导致的基线漂移以及较低的信噪比 ，其检测限为66 µM，逊于安培传感器。研究还测试了OECT的机械柔性，在绕1.5 cm直径圆柱弯曲40次后，沟道电阻变化极小（<1%），证明了其优异的抗机械应力能力。
选择性
针对实际生物体液中可能存在的干扰物，研究对微型化传感器进行了选择性测试。结果表明，在相关生理浓度下，常见的药物干扰物扑热息痛 以及乳酸 均未对葡萄糖信号产生显著干扰。然而，生物体液中同样容易氧化的抗坏血酸 和尿酸 则会产生明显的信号干扰（分别达19%和30%）。这提示，若要将该传感器应用于复杂的真实样本，可能需要额外功能化（如涂覆Nafion膜）来屏蔽带负电的干扰物。
研究结论与讨论
这项研究通过对全喷墨打印、柔性 的安培型与OECT型葡萄糖生物传感器进行系统性对比，得出了清晰而互补的结论。OECT凭借其晶体管架构的信号放大 能力，在微摩尔浓度范围内展现出更高的灵敏度 和更强的输出信号，这对简化后端读出电子电路、降低功耗极具吸引力。而安培型传感器则因其固有的稳定性和更高的信噪比 ，实现了更低的检测限 。两种传感器在0.01-1 mM范围内的线性响应，完全覆盖了唾液、汗液、眼泪等非侵入性生物体液以及提取的组织间液中葡萄糖的生理浓度范围，展现了用于实时CGM的潜力。
更重要的是，通过与现有文献对比，本研究开发的微型化传感器在性能上超越了大多数已报道的喷墨打印葡萄糖传感器。特别是，许多现有传感器并非完全打印、或缺乏柔性、或未将酶层以紧凑形式集成。本研究成功地将优化的功能化策略、精进的印刷工艺与器件微型化相结合，在完全打印、全柔性 的平台上实现了卓越的分析性能。
综上所述，这项工作不仅成功研制出性能优异的原型器件，更通过深入的机理对比，为未来可穿戴生物传感器的发展路径提供了宝贵的工程学与电化学见解。它证明，通过巧妙的材料选择、精密的打印工艺和跨学科的优化策略，制造出既高性能又“身段柔软”、适合佩戴的下一代健康监测设备，已不再遥不可及。这项研究为开发低成本、高性能、可定制的柔性多参数传感平台奠定了坚实的技术基础，向着真正舒适、便捷的个性化健康管理迈出了关键一步。
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