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在可穿戴传感器技术需求增长的背景下，为解决现有电化学双生物传感器的诸多问题，研究人员开展基于激光刻写技术制备 LIG 双生物传感器的研究。结果显示该传感器性能优越，对实时健康监测意义重大。
在当今科技飞速发展的时代，人们对自身健康的关注度日益提高，可穿戴传感器技术应运而生。其中，用于检测关键生物标志物的诊断设备成为研究热点。乳酸和葡萄糖作为重要的生物标志物，不仅在能量产生和代谢功能中发挥着关键作用，与运动员的表现和耐力息息相关，而且其水平的异常升高还可能暗示代谢紊乱等潜在健康问题。因此，开发能够监测它们的传感平台，对于实时掌握运动表现和整体健康状况至关重要。
目前，电化学酶生物传感器因其高灵敏度、选择性、低成本和易于小型化等优点备受关注。然而，将这些传感器集成到统一的双生物传感平台却困难重重。一方面，现有研究大多聚焦于单一电化学传感平台，双传感平台的实例较少。另一方面，已有的基于激光诱导石墨烯（LIG）的生物传感器存在诸多问题，比如灵敏度有待提高、生物功能化方法缺乏标准化、综合性能评估不足，而且多数使用昂贵激光源，增加了制作成本和复杂性。此外，传感器的稳定性，尤其是短长期稳定性，在以往研究中也很少被涉及。
为了解决这些问题，来自多个研究机构的研究人员共同开展了一项研究。他们致力于开发高性能、稳健且稳定的 LIG 葡萄糖和乳酸生物传感器，并最终成功构建了双生物传感平台。该研究成果发表在《Biosensors and Bioelectronics: X》上，为生物传感器领域带来了新的突破。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是直接激光写入（Direct Laser Writing，DLW）技术，通过该技术在聚酰亚胺薄膜上制备 LIG 电极；其次，对电极进行生物功能化处理，使用葡萄糖氧化酶（GOx）、乳酸氧化酶（LOx）等相关酶，以及壳聚糖（CS）、牛血清白蛋白（BSA）等生物材料构建生物传感单元；最后，利用扫描电子显微镜、拉曼显微镜、电化学工作站等多种仪器对传感器进行表征和性能测试 。
研究结果
- LIG 传感器的制备与表征：研究人员通过系统优化激光写入过程，包括激光波长、分辨率、离焦距离、功率和深度等参数，制备出 LIG 传感器。选择可见激光制备的 LIG 在多次弯曲循环后展现出更优的机械特性。优化后的 LIG 材料具有可重复且低的薄层电阻（Rsh = 13 Ω sq?1 ），电化学峰分离约为 62 mV，呈现出接近能斯特行为。扫描电子显微镜图像显示 LIG 具有高表面积和高密度缺陷，拉曼光谱也证实了其石墨材料的特征 。
- 葡萄糖生物传感器的优化与性能评估：研究人员对葡萄糖生物传感器进行了多方面优化。确定了 TTF 的最佳浓度为 10 mg/ml，最佳应用电位为 150 mV，GOx 的最佳浓度为 5 U/μl ，以及 CS 和 BSA 的最佳含量分别为 1% 和 10 mg/ml，Nafion 浓度为 1%。优化后的葡萄糖生物传感器在 0.025 - 20 mM 的宽浓度范围内呈现出良好的线性关系，灵敏度达到 41.1 μA mM?1 cm?2，检测限（LOD）为 14.9 μM 。该传感器对葡萄糖具有高催化活性，在干扰物质存在时表现出良好的选择性，在人工汗液中也能准确检测葡萄糖浓度，并且具有出色的短期（2 小时内响应稳定）和长期（8 周内稳定性良好）稳定性。
- 乳酸生物传感器的优化与性能评估：乳酸生物传感器的 LIG 工作电极使用与葡萄糖生物传感器相同的最佳 TTF 量进行修饰，应用电位也设为 150 mV。由于壳聚糖在乳酸检测中无法产生可重复响应，研究人员选择仅由 BSA 组成的介质，并添加戊二醛作为交联剂来固定 LOx。通过优化 BSA 和戊二醛的浓度，确定了最佳基质组成。优化后的乳酸生物传感器在 4 - 20 mM 浓度范围内响应呈线性，灵敏度为 12.4 μA mM?1 cm?2，LOD 为 2.4 mM 。该传感器在 2 小时内对 10 mM 乳酸的检测中表现出良好的操作稳定性，在 4 周的储存期内也具有良好的长期稳定性，对潜在干扰物质具有高选择性，在人工汗液中检测乳酸的能力也得到了验证。
- 双模葡萄糖和乳酸生物传感器的性能评估：研究人员设计了一种双传感平台，将两个单独的生物传感器的功能集成在一个统一的平台上，用于同时检测葡萄糖和乳酸。在人工汗液中，通过流动注射分析系统对该平台进行测试，结果表明，葡萄糖传感单元在顺序分析和同时检测中的灵敏度分别为 40.5 μA cm?2 mM?1和 41.2 μA cm?2 mM?1；乳酸传感单元的斜率分别为 11.9 μA cm?2 mM?1和 12.0 μA cm?2 mM?1 。与单个生物传感器相比，双平台上每个传感单元的性能得以保留。
研究结论与讨论
本研究成功开发了基于 DLW 技术在柔性聚酰亚胺薄膜上制备 LIG 电极的双生物传感平台。通过精心选择激光写入仪器设置，制备出稳定、高效且可重复的 LIG 传感元件，并通过 TTF 涂层和优化的生物功能化步骤，使单个葡萄糖和乳酸生物传感器展现出优异的性能。这些生物传感器在缓冲液和人工汗液介质中均具有宽线性范围、高灵敏度和低检测限，同时具备出色的操作稳定性和长期存储可用性。其高选择性得益于低应用电位和 Nafion 层的存在。双平台系统中葡萄糖和乳酸传感单元的性能与单个生物传感器相近，这进一步证明了该平台的稳健性，为实际应用中可靠地同时检测多种生物标志物提供了有力支持。
该研究成果为可穿戴设备和即时诊断（point-of-care diagnostic）领域带来了新的希望。未来，这种双生物传感器有望广泛应用于持续健康监测系统，帮助人们实时了解自身的健康状况，及时发现潜在的健康问题，为个性化医疗和健康管理提供更加精准、便捷的技术手段。
