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開發氮參雜石墨烯量子點修飾聚苯胺複合感測電極應用於可撓曲汗液生醫感測器

化學工程與生物科技系 (張玲毓 助理教授)

隨著現代人對於健康管理的需求升高，進而推動了即時監控生理狀態的需求，透過穿戴型生醫感測器持續監控人體生理狀態能有效幫助使用者採取預防措施並進一步防止相關的併發症；在眾多生理資訊中，血糖濃度的監控對於糖尿病患者早期的治療是非常重要的。近年來，能以非侵入式檢測生理訊號的穿戴型汗液生醫感測器引起了人們的關注，但如何在劇烈的人體活動中仍能保持其感測靈敏度與訊號穩定度是一大挑戰。在人體體內眾多待測物中，葡萄糖濃度的高低是高血糖或低血糖相關疾病的重要指標。如果體內的葡萄糖濃度過高，可能會對身體的各個系統造成損害，包括心臟，腎臟，眼睛和神經系統，並提高心血管疾病與腎臟病變的風險。血糖監測可以幫助患者和醫生更好地管理血糖濃度，並及時調整治療方案。近年來，透過非侵入性方式分析人體汗液來監控血糖濃度的穿戴型生醫感測器逐漸引起重視。目前穿戴型生醫感測器還有許多需要克服的挑戰，其中一項即為如何在劇烈的人體活動中仍能保持其感測靈敏度與訊號穩定度，劇烈運動從而產生感測電極表面的裂紋和損壞將影響其電化學性能。因此如何設計兼具有高感測靈敏度與高機械穩定性的感測電極為相當重要的研究課題。

本研究設計一種兼具有高感測靈敏度與高機械穩定性的氮摻雜石墨烯量子點(N-GQDs)修飾聚苯胺(PANI)複合感測電極應用於可撓曲汗液生醫感測器，透過導入N-GQDs於PANI中可促進其電荷轉移進而提高PANI在中性條件下對於汗液中葡萄糖檢測的靈敏度。N-GQDs 提供了豐富的富氮官能團作為電子轉移的媒介，這將解決PANI於中性電解質中的導電度，來提昇其電極對於葡萄糖的感測能力。此研究所提出的N-GQDs/PANI感測電極未來極具有潛力可廣泛應用在非侵入式穿戴式生醫感測元件中(如圖一所示)來實現兼具有高靈敏度與高穩定性的長期監測平台。從研究結果中顯示N-GQDs/PANI感測電極對於雙氧水感測靈敏度(68.1 ± 1.11 μA mM^{− 1} cm^{− 2})比單純PANI感測電極(44.06 ± 2.10 μA mM^{− 1} cm^{− 2})來得更佳，再透過進一步於電極固定化葡萄糖氧化酵素(GOx)後，可以使GOx/N-GQDs/PANI感測電極於葡萄糖濃度範圍50~500 mM的靈敏度達到28.20 μA mM^{− 1} cm^{− 2}。藉由電極連續彎曲測試(如圖二所示)也可觀察到GOx/N-GQDs/PANI感測電極(維持率~93.2%)相比於傳統GOx/Pt/C感測電極(維持率~71.3%)具有更好的訊號穩定度，顯示以導電高分子作為感測電極材料具有極佳的可撓曲優勢。本研究所提出的N-GQDs/PANI感測電極未來極具有潛力可廣泛應用在非侵入式穿戴式生醫感測元件中來實現兼具有高靈敏度與高穩定性的長期監測平台。Ref: Sensors & Actuators: B. Chemical 383 (2023) 133617

期許未來能夠進一步將此種兼具有高感測靈敏度與高機械穩定性的感測電極應用至商業化可穿戴生物感測器，透過有效地分析汗液組成進而實現以非侵入式汗液感測器來達到監控患者血糖或其他待測物濃度的需求。另一方面，由於目前的穿戴式電子元件皆須使用鋰離子電池作為能量來源，電池電量不足所衍生的頻繁充電與電池重量議題往往降低了穿戴式元件的便利性。為了解決這個問題，可以利用周圍的資源穩定轉換成電能的能源收集裝置及其自供電平台逐漸受到重視。目前已有研究提出可透過汗液中的葡萄糖作為燃料的穿戴式生物燃料電池來做為穿戴式感測器之電力來源，然而生物燃料電池所產生的能量若是只藉由汗液中的葡萄糖來提供尚還不足以驅動非侵入式汗液感測器。若是能克服此瓶頸便能實現一種可自行供電來達到長時間監控平台。