综述：迈向个性化医疗：基于二维纳米材料的柔性电化学传感器在生理监测方面的进展

《BMEMat》：Toward personalized healthcare: Advances in two-dimensional nanomaterial-based flexible electrochemical sensors for physiological monitoring

基于二维纳米材料的可穿戴电化学生物传感器研究进展

　　随着人们对个性化健康监测需求的不断提升，可穿戴电化学生物传感器因其卓越的性能而受到广泛关注。这类传感器能够以非侵入性的方式，对个体日常活动中的生理参数进行连续监测，为医学领域提供了全新的技术手段。二维（2D）纳米材料因其独特的层状结构、高比表面积以及优异的导电性，在生物传感应用中展现出巨大的潜力。将2D纳米材料引入传感器，能够显著提高其灵敏度，促进电子转移，降低检测限，同时增强对低浓度代谢物的识别能力。本文首先概述了2D纳米材料的特性，随后介绍了2D纳米材料与其他材料复合的协同效应，从而提升生物传感性能。接着深入探讨了电化学生物传感器的工作原理和多种传感机制。基于此基础，本文进一步分析了2D纳米材料在检测人体体液中生物标志物方面的应用，包括汗水、泪水、唾液和组织间液（ISF）。最后，文章分析了将2D纳米材料集成到可穿戴生物传感器中所面临的挑战，并展望了其在可穿戴生物传感领域的发展前景。

在健康监测领域，可穿戴设备正成为研究的热点。传统健康数据采集方式，如血液和尿液检测，往往需要专门的实验室设备进行分析，这不仅限制了实时监测的可能性，还增加了患者的不适感。相比之下，汗水、泪水、唾液和组织间液等替代体液中富含多种生物标志物，能够提供关于人体健康和病理状态的重要信息。这些体液不仅易于采集，还能为生物传感器提供稳定的监测环境，使可穿戴设备能够实现对生物标志物的非侵入式、连续性监测。可穿戴电化学生物传感器的出现，标志着这一领域的快速发展，它能够实时检测多种生理参数，如血糖、尿酸（UA）和钠离子（Na?）等，同时具备低功耗、高灵敏度和高选择性等优势。

在生物传感器的构建中，电极材料的选择对传感器性能具有决定性影响。纳米材料因其独特的尺寸特性，能够有效增强传感器与生物标志物的接触面积，从而显著提升其检测性能。其中，2D纳米材料因其大比表面积、优异的导电性和良好的生物相容性，成为生物传感领域的理想材料。自2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov通过机械剥离法成功制备出石墨烯以来，2D纳米材料的研究迅速发展。除了石墨烯，研究人员还发现了其他类型的2D纳米材料，如六方氮化硼、过渡金属二硫化物（TMDs）、层状金属氧化物、MXenes和黑磷（BP）等。这些材料具有优异的电学、光学、磁学、热学和力学性能，因此在生物传感、药物递送、生物成像和抗菌治疗等领域展现出广泛的应用前景。

可穿戴电化学生物传感器的性能提升依赖于多种复合材料的使用。通过将2D纳米材料与其他材料结合，可以进一步增强其功能特性。例如，金属纳米材料因其高导电性和优异的催化性能，常被用于与2D纳米材料形成复合体系。金纳米颗粒（AuNPs）因其良好的生物相容性和对有机分子（如半胱氨酸）形成硫醇键的能力，能够有效提高传感器的灵敏度。银纳米材料具有比金更高的导电性，且成本更低，因此在某些传感器中被广泛应用。铂纳米颗粒（PtNPs）因其卓越的导电性和催化性能，也被用于提升传感器的性能。这些金属纳米材料与2D纳米材料结合，不仅能够改善传感器的电化学性能，还能提升其稳定性和选择性。

除了金属纳米材料，碳系纳米材料如石墨烯和碳纳米管（CNTs）也被广泛用于可穿戴生物传感器的构建。石墨烯具有极高的导电性、比表面积和良好的生物相容性，使其成为生物传感的理想选择。而碳纳米管则因其独特的中空结构和高比表面积，能够有效增强传感器的灵敏度和响应速度。通过将碳纳米材料与2D纳米材料结合，可以实现更高效的电子传输，从而提升传感器的性能。此外，量子点（QDs）作为一种0D纳米材料，因其独特的光学和电学特性，也被用于增强传感器的检测性能。例如，通过使用碳量子点（CQDs）作为还原剂和稳定剂，可以制备出AgNPs@CQDs-rGO复合材料，显著提高传感器对多巴胺（DA）的检测灵敏度。

全氟化物和导电聚合物（CPs）也被用于提升可穿戴生物传感器的性能。全氟化物能够有效防止纳米材料的堆叠，从而提高其导电性和传感性能。导电聚合物如聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）因其良好的环境稳定性、导电性和生物相容性，成为可穿戴电化学传感器的重要组成部分。通过将这些材料与2D纳米材料结合，可以实现对多种生物标志物的高效检测，同时提高传感器的灵敏度和选择性。

可穿戴电化学生物传感器的应用已广泛覆盖多种生物标志物的检测，如pH值、钠离子、钾离子、钙离子、葡萄糖、尿酸等。在这些应用中，传感器的灵敏度、选择性和稳定性是决定其性能的关键因素。例如，基于石墨烯的pH传感器能够实现对体液中pH值的高精度检测，其灵敏度可达57.2 mV/decade，且具有良好的稳定性。同样，基于MXene的传感器能够实现对葡萄糖的高灵敏度检测，其灵敏度可达64.75 μA/mM，且具有较高的选择性。此外，某些传感器能够同时检测多种生物标志物，如葡萄糖、尿酸和pH值，这得益于其多通道设计和高效的信号处理能力。

在可穿戴生物传感器的实际应用中，电化学方法因其高灵敏度、快速响应和高选择性而受到青睐。例如，基于电化学阻抗谱（EIS）的传感器能够实现对激素类物质如皮质醇的高灵敏度检测，其检测限可低至1 pM。而基于伏安法的传感器则能够实现对多种代谢物的同步检测，如多巴胺、尿酸和葡萄糖，其灵敏度和选择性均表现出色。此外，基于电化学方法的传感器还能够实现对多组分信号的检测，例如通过结合微流控技术和无线传输模块，能够实现对多种生物标志物的远程实时监测。

尽管可穿戴电化学生物传感器在健康监测领域展现出巨大潜力，但其发展仍面临诸多挑战。首先，2D纳米材料的大规模合成仍然是一个技术难题。目前，2D纳米材料的合成方法往往存在成本高、周期长、产率低等问题，这限制了其在可穿戴设备中的广泛应用。其次，2D纳米材料在生物传感应用中的稳定性也是一个重要问题。许多2D纳米材料在生物环境中容易被氧化，从而影响其电化学性能和传感器的整体表现。此外，如何在保持2D纳米材料原有特性的同时，实现其在可穿戴设备中的柔性集成，是另一个关键挑战。同时，2D纳米材料在生物传感中的安全性也备受关注。由于可穿戴设备与人体皮肤直接接触，因此需要对这些材料的生物相容性和毒性进行严格评估，以确保其长期使用的安全性。

展望未来，可穿戴生物传感器的发展将依赖于新型2D纳米材料的发现和合成，以及更高效的制造工艺。随着纳米材料制备技术的进步，其大规模生产将变得更加可行。同时，生物传感器的性能也需要进一步优化，以提高其灵敏度、选择性和稳定性。通过结合人工智能、机器学习和物联网等新兴技术，可穿戴生物传感器将能够实现自动化数据采集、实时分析和无缝处理，从而推动智能健康监测系统的开发。此外，生物传感器的多功能集成和微型化将是未来发展的主要方向，使其能够满足个性化医疗和精准健康管理的需求。

总之，可穿戴电化学生物传感器在健康监测和疾病诊断方面展现出广阔的应用前景。通过合理选择电极材料、优化制造工艺和设计高效的集成方案，可以进一步提升其性能。随着技术的不断进步，这些传感器有望在临床和个性化医疗领域发挥更大作用。