基于原位嵌套AuNPs的NiFe-PBA@AuNPs/MIP核壳纳米复合材料的可穿戴电化学传感器，用于汗液多重生物标志物检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：In-situ AuNPs-embedded NiFe-PBA@AuNPs/MIP core–shell nanocomposite-based wearable electrochemical sensor for sweat multiplexed biomarker monitoring

【字体：大中小】 时间：2026年10月09日 来源：Sensors and Actuators B: Chemical 7.7

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　　``•一种灵活的可穿戴NiFe-PBA@AuNPs/PDA-MIP传感器，用于多重汗液分析•原位生长AuNP可增强电子转移、稳定性和传感性能•无需探针，可灵敏且选择性地检测皮质醇（Cor）、葡萄糖（Glu）、乳酸（Lac）和胆固醇（Cho）•机器学习辅助的平台可实现动态监测和行为

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一种灵活的可穿戴NiFe-PBA@AuNPs/PDA-MIP传感器，用于多重汗液分析
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原位生长AuNP可增强电子转移、稳定性和传感性能
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无需探针，可灵敏且选择性地检测皮质醇（Cor）、葡萄糖（Glu）、乳酸（Lac）和胆固醇（Cho）
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机器学习辅助的平台可实现动态监测和行为状态识别

引言

对循环分子（包括激素和代谢物）的动态监测可以提供关于个体生理状况的关键信息，并有助于早期识别与疾病相关的分子变化，为精准医疗奠定基础[[1], [2], [3], [4]]。尽管传统的实验室血液检测方法具有高分析准确性，但由于耗时较长、需要侵入性静脉穿刺以及数据收集的间歇性，这些方法在连续实时生理评估方面的实用性受到限制，无法准确捕捉体内分子的动态变化[[5], [6], [7]]。相比之下，可穿戴生物传感器通过无线连接、高时间分辨率和非侵入性操作，提供了长期、便携式的分子监测能力。然而，临床应用的普及仍面临诸多挑战：目前大多数设备的分析物检测范围有限，限制了其对多重生物标志物的分析能力[8]。此外，基于酶和抗体的汗液传感器虽然具有较好的选择性和灵敏度，但对昂贵且不耐热的生物识别元件的依赖性严重影响了其制造的可扩展性、操作稳定性和实际临床应用性[[9], [10], [11]]。

为了解决基于酶和抗体的可穿戴传感器的高成本和通用性不足问题，分子印迹聚合物（MIP）作为一种高效的人工分子识别替代方案应运而生。MIP具有制备简便、成本低廉、稳定性优异和可重复使用性佳的特点，已被广泛应用于生物传感器的构建中[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。基于MIP的传感器能够独立于天然酶或抗体选择性地识别目标分析物，并表现出良好的化学稳定性和重现性。然而，这类传感器仍存在一些固有的局限性，如电化学检测信号弱、电子转移效率低和检测灵敏度不足。为了解决这些问题，金纳米颗粒（AuNPs）凭借其优异的电导率、较大的比表面积和良好的生物相容性，被广泛用作电化学传感平台中的高性能信号放大材料[[19], [20], [21]]。

目前，MIP-AuNPs复合电极的主流改性策略采用两步制造工艺：首先通过滴涂、电沉积或自组装将AuNPs合成并固定在电极表面，然后在经过改性的AuNPs电极上原位制备分子印迹薄膜[22,23]。然而，这种预改性方法存在固有的局限性。首先，AuNPs合成和电极改性的独立过程导致制备流程繁琐，容易受到实验条件的影响，从而造成批次间一致性较差。其次，预先合成的AuNPs容易在电极表面聚集，导致印迹薄膜内的分布不均，进而影响电子转移和信号放大性能[24]。此外，AuNPs与分子印迹薄膜之间的相互作用主要依赖于物理吸附或较弱的界面力，这可能导致在反复洗脱和检测过程中AuNPs脱落，从而降低传感器的长期稳定性。此外，AuNPs的不适当负载和分布可能会部分屏蔽或堵塞印迹识别位点，减少目标分子到达有效识别位点的机会。

对于可穿戴生物传感系统而言，除了上述接口构建和信号放大方面的缺陷外，复杂生物流体矩阵中的稳定长期检测仍是一个主要挑战。氧化还原探针的不稳定性以及实际应用中识别界面的易污染或失活通常会导致信号逐渐衰减和检测重复性下降[[25], [26], [27], [28], [29]]。尽管在电极的大规模制造方面取得了显著进展，但繁琐的功能修饰流程和复杂的过程参数调控仍然需要大量的人力。这些问题不仅增加了传感器的制造成本，还在一定程度上限制了传感设备的一致性、重复性和大规模实际应用[[30], [31], [32]]。值得注意的是，最新的研究集中在解决环境干扰对表皮汗液分析的影响上。最近的报告实现了在不同pH值和温度变化条件下的准确生物标志物检测，并开发了配备基于pH值关联模型的无线汗液传感系统，以便在运动过程中进行持续监测[33,34]。此外，还构建了独立的可拉伸设备平台，以实现机械兼容的表皮生化测量[35]。尽管取得了这些进展，但能够同时进行多重生物标志物定量分析并具有双温度-PH值补偿功能的多通道MIP基可穿戴传感器仍较少被探索。

为了解决传统MIP电化学传感器信号输出弱、预固定AuNPs结构稳定性差以及在可穿戴传感系统中对外部氧化还原探针的依赖性问题，本研究提出了一种多功能NiFe-普鲁士蓝类似物（NiFe-PBA）@AuNPs/MIP纳米复合传感系统。立方体NiFe-PBA颗粒既作为刚性支撑骨架，又作为内在电活性核心，通过一步聚合策略同时实现原位AuNPs掺杂和MIP薄膜涂层。分别使用皮质醇（Cor）、葡萄糖（Glu）、乳酸（Lac）和胆固醇（Cho）作为模板分子，制备了四种特定的识别纳米复合颗粒。得益于NiFe-PBA的内在氧化还原活性，该传感系统可以减少甚至消除对外部氧化还原探针的依赖，从而提高在复杂汗液矩阵中的长期稳定性和连续操作性能。原位掺入的AuNPs增强了界面电导率和信号输出，而外层的MIP薄膜赋予了平台出色的选择性分子识别能力。在此基础上，进一步利用丝网印刷技术制备出灵活的可穿戴多通道传感电极，实现了四种汗液生物标志物的同步、灵敏和特异性检测。这项研究不仅为设计面向多重生物标志物协同监测的可穿戴生物传感平台提供了创新策略，还为分子印迹技术和柔性电子技术的深度融合提供了可行方法，这对促进个性化健康监测技术的实际应用和产业化具有巨大潜力。

章节片段

材料与方法

所有试剂均直接使用，无需进一步纯化。详细的试剂信息和实验步骤在补充材料中提供。

NiFe-PBA@AuNPs/MIP复合材料的表征

为了实现对人类汗液中多种目标生物标志物的选择性识别和同步检测，分别使用皮质醇（Cor）、葡萄糖（Glu）、乳酸（Lac）和胆固醇（Cho）作为模板分子，成功制备了四种具有特定识别能力的MIP纳米颗粒。复合材料的总体制备过程如图1A所示。立方体NiFe-PBA纳米颗粒和NiFe-PBA@AuNPs/MIP复合材料的合成过程示意图见图1B。

结论

本研究开发了一种基于NiFe-PBA@AuNPs/MIP纳米复合材料的灵活可穿戴电化学传感平台，用于同时检测四种代表性的汗液生物标志物（皮质醇、葡萄糖、乳酸和胆固醇）。通过整合NiFe-PBA的内在氧化还原活性、原位生长的AuNPs所增强的界面电荷转移能力以及基于PDA的MIP的选择性分子识别能力，该平台实现了无需探针的信号输出和高电化学性能。

资金来源

本工作得到了天津市材料物理与化学重点学科和国家自然科学基金青年科学家项目的支持（项目编号：12504249）。使用真实汗液和可穿戴设备的测试获得了天津理工大学科学技术伦理委员会的批准（批准编号：TUT-R-20260313–013，天津），并且按照相关规定进行。

CRediT作者贡献声明

赵向川：撰写——原始稿件、方法学、数据整理。秦文静：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取。田飞：监督、方法学、正式分析。王彦丽：正式分析。翟汉林：正式分析。张星月：正式分析。毕颖：正式分析。刘汉达：正式分析。胡苏：正式分析。马晓叶：正式分析。李书同：正式分析。尹寿根：撰写——审阅与编辑、资金获取。