基于PEDOT/PVA/MXene三元水凝胶的柔性可穿戴电化学传感器，用于无创检测汗液中的尿酸

时间：2026年5月27日

来源：Sensors and Actuators B: Chemical

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高峰 | 宋京尧 | 王永光 | 刘乐坤 | 张亮 | 林翔 | 龚敏 | 王东瑞 | 罗西良北京科技大学化学与生物工程学院，北京，100083，中国摘要专为生理信号监测设计的非侵入式传感器对人类健康具有重大意义。本研究介绍了一种用于无创且可穿戴式检测汗液中尿酸（UA

高峰 | 宋京尧 | 王永光 | 刘乐坤 | 张亮 | 林翔 | 龚敏 | 王东瑞 | 罗西良

北京科技大学化学与生物工程学院，北京，100083，中国

摘要

专为生理信号监测设计的非侵入式传感器对人类健康具有重大意义。本研究介绍了一种用于无创且可穿戴式检测汗液中尿酸（UA）的柔性电化学传感器。该传感器采用了一种由聚(3,4-乙二醇 thiophene)（PEDOT）、聚乙烯醇（PVA）和MXene纳米片组成的导电水凝胶复合材料，其分析结果与酶联免疫吸附测定（ELISA）相当，验证了其高准确性和实用性。这种三元水凝胶系统整合了各组分的互补优势：PEDOT形成了导电网络并增强了机械强度，PVA构建了坚韧的基质以确保延展性，而MXene纳米片显著提高了导电性和电催化活性。值得注意的是，这种水凝胶具有三维多孔结构，这种结构得益于PEDOT和PVA之间的氢键，有助于有效储存汗液，从而实现可靠的体表 sensing。水凝胶复合材料利用PEDOT、PVA和MXene之间的协同效应，扩大了电化学活性面积（0.7973 cm²）。该传感器表现出高灵敏度（0.289 μA·μM^-1·cm^-2）、低检测限（LOD = 0.57 μM，S/N = 3），以及从1 μM到400 μM的宽线性范围，适用于检测汗液中的生理尿酸水平，非常适合用于可穿戴式尿酸检测。此外，该传感器在机械变形下仍能保持稳定的 sensing 性能，表明其能够承受正常的人体生理活动，并能精确追踪饮食引起的汗液中尿酸波动，其结果已通过 ELISA 参考值进行了验证。这项工作通过创新的水凝胶传感器设计，深化了柔性电子技术在生物传感领域的应用，为非侵入式代谢疾病监测铺平了道路。

引言

柔性电子技术作为多学科整合的前沿领域，在医疗保健、可穿戴设备、人工智能等领域展示了显著的应用价值[1]、[2]、[3]、[4]。随着对可持续健康监测需求的增加和精准医学概念的深入发展，柔性电子技术已成为发展的核心[5]、[6]、[7]、[8]。在各种组件中，柔性传感器作为人机交互的关键接口，已成为原位获取和转换生理信号的关键技术[9]、[10]、[11]。柔性传感器包括可穿戴传感器和植入式传感器。其中，可穿戴传感器可以避免皮肤采血或穿孔，减轻患者的不适，这对于非侵入式检测具有特别的研究意义[12]。现有的可穿戴传感器主要依赖于物理信号检测（如血压、脉搏等），但其检测范围的限制限制了对复杂健康状况的全面评估[13]、[14]、[15]。因此，开发能够连续监测健康状况和预警疾病情况的化学/生物传感系统是推动智能医疗发展的关键[16]、[17]、[18]、[19]。已经采用了包括比色法、荧光法和电化学传感在内的多种方法来构建用于检测人体化学和生物信号的非侵入式可穿戴传感器[20]、[21]、[22]、[23]。值得注意的是，由于电化学传感具有快速响应、操作方便和易于电子集成等优点，在可穿戴传感器中表现出优越的性能[24]、[25]、[26]。

可穿戴电化学传感器通常用于分析汗液、唾液、眼泪和细胞间液（ISF）等生物流体[27]。实时监测这些生物流体中的临床相关标志物（电解质、代谢物、微量元素等）可以反映人体健康状况[6]、[27]。对这些生物流体的检测特性进行比较分析后发现存在显著局限性：ISF提取可能造成皮肤损伤，唾液容易受到饮食摄入的影响，而眼泪检测则会面临压力诱导分泌的挑战[28]。相比之下，汗液因其非侵入性的可获取性和丰富的生化组成（含有葡萄糖、乳酸、尿酸（UA）和多种氨基酸）而成为最有潜力的检测介质[29]、[30]、[31]。近年来，多项创新研究极大促进了可穿戴汗液传感器的研究和开发[28]、[32]、[33]。汗液分析的应用范围已从囊性纤维化诊断和药物检测扩展到生物标志物的非侵入式检测[34]、[35]。然而，汗液中分析物的浓度通常远低于血液中的浓度，这对传感器的灵敏度提出了高质量要求[34]。尿酸作为嘌呤代谢的终产物，与痛风和心血管疾病密切相关，是临床诊断的重要指标[36]。汗液和血液中尿酸浓度之间的相关性也在一定程度上得到了证实[34]、[37]。因此，追踪汗液中的尿酸水平具有巨大的应用潜力。尽管如此，在实现高灵敏度检测和汗液采样集成方面仍存在一些困难[38]。

纳米材料和柔性电子技术的最新进展为设计高性能可穿戴汗液传感器提供了新的思路[39]。研究人员通常将电极材料与柔性基底结合，并使用石墨烯、碳纳米管和金属纳米颗粒等导电纳米材料来提高电子传输效率，从而提高传感器的灵敏度和检测范围[40]、[41]、[42]。作为一种典型的导电聚合物，PEDOT因其可调的电子性质和易于加工的特性而被广泛应用于电化学传感器[43]。其与 MXene 的结合可以有效增强电化学响应[44]、[45]、[46]。在本研究中，我们基于导电的 MXene-PEDOT-PVA 水凝胶复合材料设计了柔性电化学传感器，并将其与微流控设备集成。这种可穿戴传感器能够高效且无创地检测汗液中的尿酸。参考先前报道的软模板策略，使用聚乙烯醇（PVA）作为软模板[47]。通过 EDOT 单体的氧化聚合形成半结晶 PEDOT 纳米纤维，并通过氢键原位与 PVA 组装，形成规则的多孔微结构。水凝胶复合材料的三维多孔结构和亲水性使其能够有效储存汗液并保持充分的接触。二维过渡金属碳化物 MXene（Ti₃C₂T_x）纳米片提高了电极材料的导电性和电催化活性，并与 PEDOT-PVA 水凝胶基底协同作用，增强了电化学活性面积。研究表明，这种柔性传感器在尿酸检测方面表现出高灵敏度、良好的选择性、优异的可重复性和长期稳定性，并能在机械变形下保持稳定的信号。该传感器能够有效检测高嘌呤饮食引起的汗液中尿酸水平波动，其检测结果与酶联免疫吸附测定（ELISA）参考值高度相关，证明了其实际应用价值。这项工作为设计用于非侵入式生物流体分析的柔性电化学传感器提供了有前景的策略，在可穿戴健康监测和代谢疾病管理方面具有重大潜力。

章节摘录

MXene-PEDOT-PVA 水凝胶的合成

PEDOT-PVA 水凝胶的合成方法如补充材料中所述。为了提高导电性，将 MXene 掺入 PEDOT-PVA 水凝胶中。具体步骤如下：首先，在搅拌条件下向反应烧瓶中加入 0.8 g PVA1750/DMSO（10% w/w）。随后依次加入 200 μL DMSO 溶液、330 μL MXene 水溶液（10 mg/mL）、120 μL 去离子水以及 4 M HCl 溶液（40 μL）。然后加入 114 mg EDOT 单体...

MXene-PEDOT-PVA 水凝胶复合材料的表征

本研究采用软模板策略制备用于尿酸检测的导电水凝胶复合材料（图 1）。水凝胶通过简单的溶液混合方法合成，其中 PVA、3,4-乙二醇 thiophene（EDOT）单体和 MXene（Ti₃C₂T_x）纳米片进行混合。在该复合材料中，PVA 作为软模板，促进了 EDOT 的氧化聚合，形成了半结晶 PEDOT 纳米纤维[47]。

结论

总之，我们开发了一种用于可穿戴式无创检测的柔性电化学传感器。这种由PEDOT、PVA 和 MXene 组成的导电水凝胶复合材料具有良好的机械性能、柔韧性和电催化性能。该水凝胶具有三维多孔结构和强亲水性，使其能够有效储存汗液。MXene 的引入进一步增强了...

CRediT 作者贡献声明

林翔：正式分析。张亮：监督、资源提供。王东瑞：撰写 – 审稿与编辑、监督。龚敏：验证、方法学研究。宋京尧：调查、正式分析、数据整理。高峰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资金申请、概念构思。刘乐坤：可视化、方法学研究。王永光：验证、数据整理。罗西良：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金申请。