韩国光云大学《AFM》：混合纳米多孔碳材料，用于汗液分析和心电图监测

成果简介

虽然金属有机框架（MOF）衍生的纳米多孔 C（NPC）材料在电化学传感器应用方面具有多种优势，但表面功能化和孔隙率调整会影响传感器性能。本文，韩国光云大学Jae Yeong Park等研究人员在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“A MOFs-Derived Hydroxyl-Functionalized Hybrid Nanoporous Carbon Incorporated Laser-Scribed Graphene-Based Multimodal Skin Patch for Perspiration Analysis and Electrocardiogram Monitoring”的论文，研究利用在激光刻蚀石墨烯（LSG）中加入 MOF-on-MOF 衍生的表面功能化混合纳米多孔 C（f-HNPC）的独特性能，开发了一种用于汗液和心电图（ECG）监测的皮肤贴片。通过 KOH 活化实现的羟基 (OH) 官能化 NPC 可促进电极-电解质界面的电子传输。

这增强了电化学活性，从而提高了传感器的灵敏度并扩大了检测范围。f-HNPC 的集成提供了更大的表面积和更强的电化学特性，从而实现了对汗液生物标记物的灵敏和选择性检测，包括葡萄糖（103 µA mM-1 cm-2）和尿酸（184 µA mM-1 cm-2），以及超宽的葡萄糖检测范围（高达 41.5 mM）。此外，LSG 的加入确保了极佳的机械灵活性，有利于与皮肤的接触，从而获得可靠的信号。所提出的皮肤贴片在实时汗液分析和心电图监测方面表现出良好的性能，信噪比高达 23.63 dB，同时具有高稳定性和长期耐用性。f-HNPC 和 LSG 的协同组合显示出开发先进的可穿戴生物传感器的巨大潜力。

图文导读

图1. 安装在胸部皮肤上的电化学-物理贴片示意图

图2. 多模态皮肤贴片的插图。

图3. 用于形态学分析的MOFs衍生NPC和复合物的物理表征

图4. 用于化学和电子性能分析的MOFs衍生NPC和复合材料的物理表征

图5. 所开发材料的电化学表征

图6. 多模态贴片的原位性能表征

小结

在这项研究中，我们提出了一种开发多功能皮肤贴片的新方法，这种皮肤贴片能够同时监测汗液和心电图信号。该皮肤贴片是利用一种融入 LSG 的核壳（MOF-on-MOF）结构 MOF 衍生功能化（通过 KOH 活化 -OH 基团）混合 NPC 材料（f-HNPC）制成的。HNPC 的 KOH 活化步骤不仅有助于形成可调的多孔结构，而且由于 K 在高温处理过程中的催化活性，还能产生高质量的石墨 C。MOF 衍生的 C 材料具有高比表面积和高孔隙率，为捕获和感知汗液生物标记物提供了理想的平台。此外，用于 K ISE 的基于 f-HNPC 的 Nafion 涂层 SC 层在电位漂移和长期稳定性方面表现出良好的效果，灵敏度接近纳斯特灵敏度。此外，LSG 的集成增强了皮肤贴片的导电性和机械灵活性，从而实现了可靠、舒适的长期佩戴性。所开发的皮肤贴片在实时监测葡萄糖和尿酸等汗液生物标记物方面表现出色，具有高灵敏度和高选择性。此外，该皮肤贴片还能准确捕捉心电信号，从而促进连续心血管监测。将汗液和心电图监测功能结合到一个单一的可穿戴设备中，为医疗保健监测的各种应用带来了巨大的前景

文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202405651