大连理工研究生院，大连理工大学研究生院
在先进制造技术和智能通信的驱动下，可穿戴传感电子产品正逐渐进入我们的日常生活，它们可以通过持续获取温度、压力、应变等物理信号来监测重要的生理和运动状态。在过去的10年里，研究人员受到启发，在医疗保健领域开发可穿戴生物传感器，更多的研究人员专注于将人体体液中的化学和生物信息转换为可测量的电子信号，以实现自我管理和精准医疗。
普鲁士蓝(PB)和普鲁士蓝类似物(PBAs)毒性低，易于合成和独特的原型六亚金属酸酯骨架结构，通道开阔，而易插入/提取离子的行为通常使其易于获得优异的电化学性能和高催化活性，作为可穿戴生物传感领域的电极改性剂受到广泛关注。基于PB/PBA的可穿戴传感器在医疗保健领域具有巨大的潜力，它们可以作为运动监测、精准医疗和营养跟踪的智能贴片。
图1. 普鲁士蓝基可穿戴生物传感器。
近年来，多篇关于PB/PBAs的综述论文对其合成、性质和生物传感应用等方面进行了讨论。然而，由于近年来PB/PBAs及其相关可穿戴生物传感器的大量研究和发展，PB/PBAs纳米结构/薄膜/复合材料在智能生物传感领域的应用取得了迅速的进展。
针对这些发展趋势，大连理工大学朱楠研究员就PB及PBAs材料在可穿戴生物传感器设计中的应用，以“Recent Advances ofPrussian Blue-Based Wearable Biosensors for Healthcare“为题在Analytical Chemistry上发表综述文章。
要点1.该综述从化学和晶体结构特点、电化学性能、基于自组装单电极的动力学机制、薄膜/复合材料/微纳米结构的可控合成方法，在电催化和电化学传感中的应用，特别是在可穿戴生物传感器中的应用。同时对各种可穿戴应用的研究策略进行了讨论。
在晶体结构上，PB/PBAs具有独特的三维骨架结构，由CN配体作为连接体，过渡金属作为节点，碱金属离子作为插入物或一些配位水和空位的缺陷组成。通过改变过渡金属离子类型或替换插入碱金属阳离子，可形成多种PBA(Ni-PBA、Mn-PBA、Cu-PBA、Co-PBA、CrPBA等)，受插入碱金属缺陷数量或比例的差异影响，可出现三种不同相(立方相、单斜相和菱形相)。这些特性是PB/PBAs在智能传感和电催化领域应用的结构基础。
从电化学性能和合成路线的角度来看，PB/PBAs具有高度可逆的PW-PB-BG循环和可执行的碱性离子萃取/插层，这使得PB/PBAs有望成为H2O2/H2O2相关传感的候选材料。根据应用领域的不同，可以选择或组合一系列合成技术(化学沉积法、反向微乳液法、聚合物辅助法、水热法、电化学沉积法、自组装法、硬模板辅助法)制备PB/PBAs。
图2.H2O2还原的纳米电催化机制。
图3. 代表性的合成技术。
在基于PB/PBAs的可穿戴H2O2传感器中，利用不同的底部电极作为电子导体，与其他活性材料改性PB/PBAs，制备混合膜是降低过电位、增强电子传递动力学、进一步提高灵敏度和稳定性的有效途径。除了提高PB的稳定性外，如何锚定相应的酶并提高其寿命仍然是可穿戴葡萄糖、氨基酸等酶传感器的关键。对于可穿戴传感器部分，通过结合最新的自愈材料,可伸缩弹性体和生物兼容和生物降解聚合物与PB/PBAs材料，开发多功能可穿戴代谢物传感器有望取代侵入式传感装置，实现老年人和慢性病患者的无创自我监测。
图4. 集成的可穿戴传感器。
要点2.总结了PB/PBAs的重要研究成果和前景，以及存在的不足和问题。同时，为进一步从电化学角度研究PB/PBAs提供了新的动力。
尽管PB/PBAs在合成、生物传感器和可穿戴传感器方面取得了积极进展，但在实现其巨大潜力之前，仍有一些关键挑战需要解决。目前研究尚未解决的问题是如何在实验室水平之外实现质量高度统一的量产(达到克)。大多数报道主要集中在比较常见的PB/PBA，如Ni-PBA、Cu-PBA、MnPBA、Co-PBA、Cr-PBA及其组合。考虑到高性能的传感应用，需要采用蚀刻法或离子交换法获得新的PB/PBAs元件。虽然合成技术已经取得了巨大的进步，但利用非模板法在柔性导电基板上高效高效地合成具有特定形态的PB/PBAs还没有达到。
图5.葡萄糖传感器的机理。
基于目前对PB/PBAs在单晶电极SAM中的研究，控制ET通路可能成为未来开发新型高效可穿戴生物传感器的方向。此外，PB/PBAs的可穿戴应用还存在着各种需要解决的关键挑战。大多数代谢物传感器由于循环不稳定、表面污染和酶降解等原因，在传感器寿命和精度方面还需要进一步提高。
开发新的PB/PBAs和酶的固定化方法，建立自封闭的抗污染空间，涂层自清洁系统，是实现可穿戴PB/PBAs传感器在实际样品分析中充分利用的有希望的解决方案。此外，多功能可穿戴生物传感器、可伸缩能量收集装置(如光伏)和储能装置(电池或超级电容器)的结合，将在未来实现完全集成的可穿戴设备，实时监测人体运动和健康状态，在我们的日常生活中没有不舒服或安全问题。
链接：
https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c04420
西交大漆贺同：自终止化学沉积单分散Pt NPs 修饰微电极检测H2O2
2021-12-09
纳米酶分析化学最新综述
2021-12-08
吉林大学卢革宇&刘方猛：NO气体传感器最新进展！
2021-12-04
液-液界面电极新进展！用于检测乙酰胆碱
2021-12-02
西北师范卢小泉课题组：高效的5-羟色胺的电化学生物传感器
2021-12-01
扬州大学电化学传感器最新进展：可穿戴汗液葡萄糖连续检测
2021-11-29
Neso Sojic&刘宝红&江德臣JACS：单生物分子ECL成像
2021-11-24
新晋院士！房喻最新进展：荧光薄膜传感器
2021-11-23
华师大朱成周Anal. Chem.：调控Pt簇中Pt(0)/Pt(II)比实现H2O2检测
2021-11-22
瑞典皇家理工学院进展：pH纳米传感器用于细胞内实时和连续测量
2021-11-20
版权声明：「崛步化学」旨在分享学习交流化学、材料等领域的最新资讯及研究进展。编辑水平有限，上述仅代表个人观点。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位关注！
大连理工研究生院(大连理工大学研究生院)