微型锌离子电池和葡萄糖传感器集成系统助力血糖即时检测

葡萄糖检测广泛应用于生物、医学、食品和环境领域。尽管基于葡萄糖氧化酶的光化学分析和电化学分析的传感器已经商业化，但酶活性常会随着环境的变化降低甚至失活，严重制约着传感器的使用寿命并造成较高成本。除传感电极本身外，电源和信号处理模块也是葡萄糖传感器系统的关键要素，但这些部件通常体积大、复杂且昂贵，使得研发面向现场快速检测的便携式、小型化的葡萄糖检测系统面临多重困难。此外，作为血糖状态实时监测理想的解决方案，未来发展可植入式的微型检测系统也需要解决电化学传感器的供电问题、弱电信号的高效放大和显示等问题。

湖南大学翁群红教授等人通过微电子打印的方法设计并构建了一种集成微型锌离子电型池（ZIMB）和葡萄糖传感器的微系统（iGS-ZIMB）。ZIMB作为传感器和系统的微型供电器件，为传感器的供电问题提供了一种有效的解决方案，实现了血糖的现场快速检测。系统所集成的ZIMB具有247.3μWh/cm²的能量密度和1193μW/cm²的功率密度，其集成的传感器拥有高达464.2μA/mM/cm²的灵敏度，0.5-6.0mM的宽线性范围，以及优异的检测重现性。通过简单的信号放大电路设计，可以在1.6秒的响应时间内显示目标样品的葡萄糖浓度。该iGS-ZIMB微系统在效率和成本方面具有突出的优势，在现场检测、医学诊断、健康等方面具有广阔的应用前景。工作以“Integration of all-printed zinc ion microbattery and glucose sensor toward onsite quick detections”为题在线发表在SusMat上。

图1 集成葡萄糖传感器（GS）和锌离子微电池（iGS-ZIMB）的葡萄糖检测系统设计

研究人员首先通过配制不同电极材料的打印墨水，实现了iGS-ZIMB的图案化、全印刷制备。得益于印制墨水的良好性能，研究人员实现了面积小至0.35mm²的微型锌离子电池的制备，并取得了较好的分辨率，实现了器件的串并联打印并满足不同的应用场景需求。这表明印刷器件在广泛分布的储能器件和集成电路领域的可行性与巨大应用潜力。图2f阐述了iGS-ZIMB的工作机理，基于不同可逆的氧化还原反应，该微系统可以同时实现能量储存与葡萄糖检测。与传统的传感器和电池独立排布的布局相比，iGS-ZIMB这种设计极大地减少了器件的占地面积、缩短了电流和信号的传输距离，有利于综合电化学性能的提升。

图2 全印刷的集成葡萄糖传感器和锌离子微型电池的制备

接着，研究人员对印刷的葡萄糖传感器和微型锌离子电池分别进行电化学性能研究。基于氧化铜的印刷葡萄糖传感器展现出高达464.2μA/mM/cm²的灵敏度，并具有极快的响应时间（小于1.4s），这样出色的响应时间源于工作电极和对电极之间较短的间距，以及CuO纳米颗粒和集流体之间的紧密接触。此外由于氧化铜材料稳定的化学性质，传感器展现出良好的抗干扰能力、优异的稳定性和重复性。

图3 印制葡萄糖传感器和微型锌离子电池的电化学性能

作为整个系统供能单元的微型锌离子电池对系统的正常运转是至关重要的。通过打印条件优化，所制备的微型锌离子电池在0.1mA/cm²的电流密度下比容量为181.1μAh/cm²。后续的电化学测试表明所制备的电池具有出色的倍率性能，良好的循环稳定性以及柔性，这为后续向整个检测系统稳定供能提供了可能。

在集成传感器和供电器件后，葡萄糖传感器的信号处理和显示是另一个挑战。传统的策略主要依靠外部的电化学工作站、万用表或专门的信号处理系统来放大微弱的电位或电流变化。然而，这些方案的缺点也很明显，即它们通常体积庞大、复杂、昂贵，不利于开发用于现场分析检测的小型化、集成化和便携式设备。对此，研究人员采用了一种简单的电路设计来放大电化学信号并显示葡萄糖浓度。该系统的工作逻辑如图4所示，当传感器检测到葡萄糖的浓度超过设定极限时，电流的增加使放大电路导通，显示模块被点亮。基于放大电路中不同浓度检测极限的设定，可以通过显示模块的点亮与否来检测葡萄糖浓度范围，同时也保持着对葡萄糖的快速响应（<1.6s）。

图4 葡萄糖检测微系统的构建

为了进一步测定葡萄糖浓度，研究人员提出并构建了一种由四个独立iGS-ZIMB并行排布阵列的检测系统。其中每个设定不同的ON/OFF浓度阀值，通过相应的显示状态来检测葡萄糖浓度。如图5b所示，系统实现了对不同浓度葡萄糖的检测与显示，不同设定浓度检测限下电流的变化也证实了该检测系统运行得稳定性。此外研究人员还对血清样品进行了测试，葡萄糖传感器在现场检测中表现出较高的准确度、快速的响应（<3.7s）。

图5 阵列式葡萄糖检测系统的构建

综上所述，研究人员开发了一种集成化、小型便携式的葡萄糖检测系统用于现场快速检测。与常见葡萄糖分析仪不同，所设计的集成葡萄糖非酶电化学传感器和微型锌离子电池的微型系统通过简单的放大电路有效地实现了葡萄糖浓度的检测和显示。整个系统具有较好的检测灵敏度、线性范围、稳定性和重现性。在用于血清样品分析时，依然保持着较短的响应时间（<3.7秒），显示了该微型检测系统在实际现场快速测量方面的可行性和潜力。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/sus2.59