基于生物燃料电池的可穿戴型电化学生物传感器的构筑及应用研究

Wearable biosensor is a kind of novel portable biosensing device which can be worn on body, clothes or accessories. Being considered as the perfect combination of biosensor and wearable technology, wearable biosensor exhibits extensively application prospect in the research fields of clinical diagnosis, biomedicine, and military medicine. Till now, there are still limited reports on the biomarker detections by wearable biosensors. Also, the problems related to detection performance, power source, and intelligent medical diagnosis still exist in wearable biosensor field. To solve these problems, this project will choose carbon based porous nanomaterials with excellent electrocatalytic activity and biocompatibility to improve the selectivity and stability of biofuel cell (BFC)-based self-powered electrochemical biosensor. By using the screen printing technology, we will fabricate BFC-based electrochemical biosensors on objects (such as gloves). Meanwhile, we will convert the diseases detections to the biocomputing models. After building the models into the BFC-based wearable electrochemical biosensors, the self-powered intelligent detection on diseases can be realized. The implementation of the project will not only facilitate the application of wearable electrochemical biosensors for the intelligent medical diagnosis but also provide a useful reference for the effective integration of bioelectrochemistry, material science and bioinformatics.

可穿戴型生物传感器是能够穿戴于身体、服饰或配件上的一类新型便携式生物传感器件。它被认为是生物传感与可穿戴技术的完美结合，在临床诊断、生物医学及军事医学等研究领域中有着广泛的应用前景。但目前可穿戴型生物传感器对生物标记物检测的报道还很少，而且仍面临检测性能、电源、可穿戴化及智能医学检测方面的问题。鉴于此，本项目拟采用有优异电催化性能和良好生物相容性的碳基多孔纳米材料改善基于生物燃料电池的自我供电电化学生物传感器的选择性和稳定性，利用丝网印刷技术，在客体（如手套）上构筑基于生物燃料电池的电化学生物传感器，同时将疾病检测转换为生物计算模型，并“内置”于基于生物燃料电池的可穿戴型电化学生物传感器，实现对疾病的自我供电智能检测。本项目的实施，不仅能够大大促进可穿戴型生物传感器在智能医学诊断中的应用，同时也为生物电化学、材料科学与生物信息学之间的有机结合提供有用的借鉴。

可穿戴型生物传感器是能够穿戴于身体、服饰或配件上的一类新型便携式生物传感器件。它被认为是生物传感与可穿戴技术的完美结合，在临床诊断、生物医学及军事医学等研究领域中有着广泛的应用前景。为构筑具有高选择性和高稳定性的可穿戴型自我供电电化学生物传感器，我们在本项目中：1）以不同生物质（如：海带、菇茑皮、柚子皮、螃蟹壳和蜂蜜、苹果、豆渣、面巾纸、西红柿、山药、菠萝）为前驱体制备多种碳基多孔纳米材料（如：分等级介孔-大孔碳、碳纳米片、碳纳米球聚集网状气凝胶、介孔碳纳米棒、碳纳米棒组装的分等级介孔-大孔碳网络气凝胶、氮掺杂石墨烯状介孔纳米片、介孔碳气凝胶、碳纳米球气凝胶、三维树枝状碳气凝胶、分等级微孔-介孔-大孔碳气凝胶）；2）基于上述制备的碳基多孔纳米材料构建了不同种电化学生物传感器、生物燃料电池和基于生物燃料电池的可穿戴型自我供电电化学生物传感器，其中这些传感器对被分析物的检测具有较高的特异性和稳定性；3）以菠萝为前驱体制备的具有高比表面积和多孔结构的分等级微孔-介孔-大孔碳气凝胶修饰电极为阳极，以胆红素氧化酶修饰电极为生物阴极，在以柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料为基底的丝网印刷电极表面构筑了微型化抗坏血酸/空气生物燃料电池（1 cm × 1 cm），实现了血浆中抗坏血酸的自我供电电化学生物检测。将坏血病的医学诊断转换为生物计算模型（YES逻辑门），将生物计算模型“内置”于基于生物燃料电池的自我供电抗坏血酸电化学生物传感器中，同时将该微型化的自我供电电化学生物传感器穿戴于实验手套、实验服、和手臂上，该可穿戴型电化学生物传感器利用YES逻辑门实现了以人血浆为待测样本智能诊断被试者是否为坏血病患者。本项目的实施和完成，不仅能够大大促进可穿戴型生物传感器在智能医学诊断中的应用，同时也为生物电化学、材料科学与生物信息学之间的有机结合提供有用的借鉴。