摘要
结构化传感接口在提升生物传感器性能方面发挥着关键作用。然而，传统上2.5D表面的制造依赖于洁净室环境下的光刻技术，这限制了其可扩展性和适应性。增材制造提供了一种灵活的替代方案，能够在无需光刻的情况下快速制造2.5D微结构。在这里，我们介绍了2.5D-MiSENSE（微结构传感电极），这是一种通过增材制造技术实现的生物传感平台。通过调整打印参数（如层高、填充几何形状和打印方向），可以制造出具有可控表面拓扑的周期性微结构。这些微结构可以通过层状纳米材料（包括MXenes、氧化石墨烯（GO）和自组装单层（SAMs）进行独立修饰，从而创建特定材料的传感接口。这种模块化设计能够选择性地检测N-乙酰-β-D-葡糖胺酶（NAG），作为牛奶中炎症生物标志物检测的模型应用。为了克服原始牛奶作为传感基质的复杂性，我们整合了机器学习（ML）算法来提高检测精度。最终，牛奶样本分析能够准确区分患有乳房炎症（亚临床乳腺炎）的奶牛和健康的奶牛。这项工作建立了一个可扩展、可调且智能的生物传感平台，有助于智能奶牛养殖中的快速诊断。
1 引言
生物医学设备的快速发展在很大程度上得益于制造技术的创新，这些创新使得对传感接口的精确控制成为可能[1]。其中，2.5D微结构表面——其在垂直方向上具有可控的表面起伏——已被证明能有效提升生物传感器的性能[2。这类表面提高了分析物的可接触性，增加了有效表面积，并增强了信号转导能力，从而提高了生物分子检测的灵敏度和特异性。传统上，2.5D结构是在玻璃或硅等刚性基底上通过光刻和洁净室微制造工艺制造的[3456。
为了进一步提升传感性能，使用二维纳米材料对这些微结构进行表面功能化是一种有效的策略，可以调节界面特性并改善分析物的识别[78, 9]。同时，自组装单层（SAMs）能够实现对传感器界面的分子级控制，支持特定生物标志物的靶向结合[10 虽然这些材料和结构创新提升了生物传感能力，但它们在农业诊断领域也具有巨大潜力，因为该领域迫切需要非侵入性检测工具。牛奶作为一种复杂的生物流体，是监测包括人类和奶牛在内的哺乳动物健康状况的理想介质（尽管目前尚未得到充分利用）[11121314, 15。
基于具有材料特异性功能化的2.5D微结构概念，我们开发了一种用于诊断奶牛亚临床乳腺炎（SCM）的模块化电化学传感器平台，称为2.5D-MiSENSE（微结构传感电极）。该系统采用了通过增材制造制造的周期性2.5D微结构，并分别用MXenes、GO和SAMs进行了功能化处理，从而实现了对炎症相关牛奶生物标志物（如NAG）的电化学响应的调节。这些纳米材料功能化的表面增强了分析物在复杂牛奶基质中的相互作用和信号保真度。结合集成微流控技术和机器学习算法进行信号校准和分类，该平台实现了SCM的准确原位检测。我们展示了该平台的一个原型，为未来集成到自动化挤奶系统中奠定了基础，这是迈向人工智能驱动的奶牛健康监测的关键一步。
2 结果
本节简要概述了2.5D-MiSENSE平台在检测牛奶中NAG方面的结构、电化学和分析性能。进行了全面的表征和比较研究，以评估不同表面修饰和制造策略对传感器行为的影响。所得结果共同证明了微纳结构工程和表面化学优化如何提高生物传感器在牛奶检测条件下的灵敏度。
在2.5D-MiSENSE的生物标志物检测中，2.5D微条纹层（图1b）使用了三种不同的材料进行修饰：L-半胱氨酸SAM[16、MXene纳米片[17, 18]和GO[19。虽然2.5D微条纹结构提供了一个具有较大表面积和增强分析物扩散能力的稳健微工程平台，但添加的纳米材料通过形成多尺度检测器，促进了与目标生物标志物的有效相互作用[
