点击蓝字 关注我们
欢迎各位专家学者在公众号平台报道最新研究工作，荐稿请联系小编Robert（微信ID：BrainX007）； 或将稿件发送至lgl010@vip.163.com。
英文标题：Fe Single-Atom and Fe Cluster-Coupled N, S Co-doped Carbon Nanomaterial-Based Flexible Electrochemical Sweat Biosensor for the Real-Time Analysis of Uric Acid and Tyrosine
成果简介
可穿戴汗液传感器因无创、可实时监测而成为个性化健康管理的研究热点，但汗液中尿酸（UA）和酪氨酸（Tyr）浓度低，现有器件难以同时、灵敏检测。针对这一瓶颈，本工作以富含 C、Fe、O、N、S 的石花菜（Gelidium corneum）为前驱体，经两步高温热解制备了铁单原子与 Fe2O3 团簇耦合的 N、S 共掺杂碳纳米材料（FeSA-FeONC-NSC），并构建了基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的柔性非酶电化学传感器。X 射线吸收谱证实 Fe 以 Fe-N4 单原子和 Fe-O 配位的小尺寸 Fe2O3 团簇共存，二者协同加速电荷迁移并暴露更多 Fe2+/Fe3+ 活性位点。传感器对 UA 和 Tyr 的检测限分别为 0.14 和 0.03 μmol L−1，响应时间 2.9 和 3.1 s；在人体汗液实测中结果与高效液相色谱法（HPLC）一致，相对误差小于 5%。
研究亮点
创新的双位点材料设计：利用海藻生物质为前驱体，巧妙构建了Fe单原子（Fe-N₄）与Fe团簇（Fe₂O₃）共存的N,S共掺杂碳复合材料，两种活性位点互补。
揭示强协同催化机制：单原子与团簇的强相互作用大幅降低了电荷转移电阻（仅18 Ω），提供了丰富的Fe²⁺/Fe³⁺活性位点，展现出优异的双功能催化活性。
极低的检出限与快速响应：对汗液中的尿酸（UA）和酪氨酸（Tyr）实现了超高灵敏检测，检出限分别低至0.14 μM和0.03 μM，响应时间仅需约3秒。
出色的可穿戴实时监测能力：构建的柔性非酶传感器成功应用于人体皮肤汗液的实时无线监测，且检测结果与标准HPLC法高度一致（误差<5%），具备极强的实用价值。
图文解析
示意图1. FeSA−FeONC-NSC 的制备流程。
示意图2. 柔性电极制备流程示意图。
图1. FeSA−FeONC-NSC、FeSA-NSC 和 FeNP-NSC 的 XRD 与 Raman 表征。
图2. FeSA−FeONC-NSC 的形貌、原子级分散与元素分布表征。
图3. FeSA−FeONC-NSC 的 XPS 与 Fe K 边 XAS 结构表征；(a) FeSA−FeONC-NSC 中 C 1s 的高分辨 XPS 谱；(b) FeSA−FeONC-NSC、Fe2O3 和金属 Fe 的 Fe K 边 XANES 谱；(c) 相应的傅里叶变换 R 空间谱；(d) FeSA−FeONC-NSC 在 R 空间的 XANES 拟合曲线；(e) Fe 箔、Fe2O3 和 FeSA−FeONC-NSC 的 k3 加权 EXAFS 谱小波变换。
图4. 不同修饰电极对 UA 和 Tyr 的电化学响应、阻抗与双电层电容表征；(a) FeSA−FeONC-NSC/PDMS 在含与不含 200.0 μmol L−1 UA 的人工汗液中的 CV 响应（插图：UA 的电化学传感机理）；(b) FeSA−FeONC-NSC/PDMS 在含与不含 200.0 μmol L−1 Tyr 的人工汗液中的 DPV 响应（插图：Tyr 的电化学传感机理）；(c) 不同电极在含 200.0 μmol L−1 UA 的人工汗液中对 UA 的 DPV 响应；(d) 不同电极在含 200.0 μmol L−1 Tyr 的人工汗液中对 Tyr 的 DPV 响应；(e) 不同修饰电极在含 200.0 μmol L−1 UA 的人工汗液中的 EIS 曲线（插图为等效电路）；(f) 不同修饰电极在含 200.0 μmol L−1 UA 的人工汗液中双电层电流密度随扫描速率的线性图。
图5. FeSA−FeONC-NSC/PDMS 传感器对 UA 和 Tyr 的计时电流响应、线性范围与响应时间；(a) 连续加入不同浓度 UA 时 FeSA−FeONC-NSC/PDMS 在人工汗液中的 i−t 响应；(b) FeSA−FeONC-NSC/PDMS 传感器检测电流与 UA 浓度的线性关系；(c) FeSA−FeONC-NSC/PDMS 传感器检测 UA 的响应时间；(d) 连续加入不同浓度 Tyr 时 FeSA−FeONC-NSC/PDMS 在人工汗液中的 i−t 响应；(e) FeSA−FeONC-NSC/PDMS 传感器检测电流与 Tyr 浓度的线性关系；(f) FeSA−FeONC-NSC/PDMS 传感器检测 Tyr 的响应时间。
图6. 柔性汗液分析贴片在人体皮肤上的实时检测与饮食验证；(a) 贴附于志愿者手臂、用于监测汗液中生物标志物 UA 和 Tyr 的汗液分析贴片光学照片；(b) 运动过程中手臂汗液中 UA 和 Tyr 的实时 i−t 电流；(c) 四名志愿者食用海鲜前后汗液中 UA 浓度。
研究结论
汗液中 UA 与 Tyr 浓度低、基质复杂，同时检测仍受限于活性位点不足与柔性器件集成难度。针对该问题，本研究以石花菜为生物质前驱体，通过 FeCl3 浸渍、900 °C 热解、酸洗和二次热解构建了 FeSA-FeONC-NSC，使 Fe-N4 单原子与 Fe-O 配位的 Fe2O3 团簇共存于 N、S 共掺杂多孔碳中；随后将其修饰于丝网印刷 PDMS 电极，形成非酶双功能柔性传感器。结构表征与电化学测试表明，单原子与团簇的耦合使电荷转移电阻降至 18 Ω，双电层电容升至 37.36 mF cm−2，显著优于 FeSA-NSC 和 FeNP-NSC。UA 检测线性范围为 0.5-350.0 μmol L−1，检测限 0.14 μmol L−1，灵敏度 150.0 μA mM−1 cm−2；Tyr 线性范围为 0.1-250.0 μmol L−1，检测限 0.03 μmol L−1，灵敏度 510.0 μA mM−1 cm−2，响应时间分别为 2.9 s 和 3.1 s。在实际汗液分析中，该贴片结合柔性集成电路板与无线传输模块，可在运动过程中实时监测 UA 和 Tyr；4 名志愿者食用海鲜前后汗液 UA 变化可被捕捉，且与 HPLC 结果相对误差小于 5%。目前研究样本量仍较小，长期佩戴稳定性、个体差异和复杂出汗速率的影响有待扩大验证；后续可通过微流控汗液采集、校准算法和批量制备工艺提升可靠性，推动其在家庭健康监测和临床辅助评估中的应用。
免责声明：原创仅代表原创编译，水平有限，仅供学术交流，如有侵权，请联系删除，文献解读如有疏漏之处，我们深表歉意。
公众号丨智能传感与脑机接口
