用于生物界面通用分子指纹检测的可穿戴等离子体超表面传感器

可穿戴传感技术是个性化医疗的重要环节。研究人员必须同时跟踪体内的各种分析物，以便充分了解人类健康。在一份新的《科学进展》报告中，王英利和来自英国剑桥大学和中国浙江大学的生物系统、工程和信息科学科学家团队展示了一种具有“通用”分子识别能力的可穿戴等离子电子传感器。该团队引入了柔性等离子体超表面(SERS)活动，以表面增强拉曼散射作为基本传感组件。该系统包括一个灵活的汗液提取过程，可以根据其独特的拉曼散射光谱无创提取体内分析物和指纹。作为概念的证明，他们成功地在体内监测了不同的微量药物量，以获得个体药物代谢特征。这种传感器弥补了可穿戴传感技术的不足，为评估人类健康提供了一种通用、灵敏的分子跟踪过程。

可穿戴传感器技术

王等提出了一种具有“通用”识别能力的可穿戴等离子体电子集成传感平台。可穿戴传感器为个性化医学的未来提供了一种连接，但这种传感器必须克服刚性和柔性弹性表面之间的根本不匹配，以便被层压到皮肤、眼睛、神经和牙齿等生物界面中，从而无缝地评估人类健康。这些设备使研究人员能够持续评估生命体征，包括心率和体温、排汗和身体活动。尽管物理可穿戴传感器取得了成功，但在分子水平上提供人类动力学洞察力的非侵入性分子跟踪技术尚未实现。这些功能对于个性化和精确的医疗治疗至关重要。在这种情况下，王等人的目的是开发一种具有通用目标特异性的新策略，而不是使用单个目标来同时跟踪多个目标。该团队开发了一个新的平台，使用灵活的表面增强拉曼光谱(SERS)活性等离子体超表面作为关键的传感组件，并使用灵活的电子系统自动从身体中提取汗液和分析物。

该团队使用可穿戴传感器来识别独特的SERS光谱。作为概念证明，他们通过检测人体内药物浓度的变化来获得个体的药物代谢特征。集成可穿戴传感器弥补了现有个性化诊断对重要生化化合物实时跟踪的不足。科学家利用传感平台监测人体内的生理线索或药物浓度，从而获得个体药物代谢特征。然后，使用集成的可佩戴传感器，在闭环反馈药物输送系统中监控生理线索或药物浓度。

等离子超材料集成可穿戴传感装置由两个主要部件组成，包括一层含有刺激汗腺分泌分子的水凝胶。该团队将这些结构连接到两个螺旋分形网状电极上，作为排汗成分。王等用离子电渗法(透皮给药)提取；广泛用作诊断和治疗设备中的无创汗液取样方法。他们使用有序的银纳米立方体超晶格来形成等离子体元件薄膜，作为安装在实验装置中的传感元件。SERS效应(表面增强拉曼散射)是由纳米管中的强电磁场产生的，用于检测超薄薄膜表面附近的分子。他们将这两种成分放在超低模量聚合物薄膜上，形成一种薄的、透气的、物理上坚韧的支持物，用于无刺激的皮肤粘附。该团队使用电极，施加温和的电流来运输氯化乙酰胆碱，以分泌水凝胶层中的汗腺，从而快速、局部地产生汗液。

可穿戴设备的传感器依靠有序银纳米立方体超晶格薄膜产生的SERS效应，研究小组在提取的汗液中检测有趣的目标。首先，他们在液体/空气界面组装了一个单层密封纳米立方体阵列，然后将该结构转化为一个薄的柔性聚合物支架。然后，科学家使用高分辨率透射电子显微镜(TEM)图像验证纳米立方体之间的平均间隙大小，并进行时域有限差分(FDTD)数值模拟。元膜的机械顺应性和皮肤接触允许高保真测量。然后，研究小组开发了SERS薄膜，并将其转移到含有附着在分形网状电极上的激动剂的水凝胶中。他们采用超薄螺旋设计来增加汗液诱导系统对机械变形的容忍度，并通过发展“互连岛”设计阶段来形成具有软弹性电子系统的脆性SERS薄膜来实现这一目标。经过100个测试周期，团队确认了电子设备的耐用性，没有任何可观察到的信号衰减，从而完美地满足了可穿戴传感器所需的职责。

生物传感器应用

接下来，招募健康志愿者进行体内(生理)测量，以证明该装置的排汗能力。科学家将尼古丁作为模型药物，监测皮肤中实际药物浓度与每个人的药物输送、吸收和代谢率之间的关系。在实验过程中，他们使用了一个可佩戴的SERS传感器，该传感器与志愿者前臂上的紧凑型电源和无线控制单元相连。该设备显示汗液中尼古丁的SERS光谱，以匹配尼古丁标准光谱。结果显示了传感器如何训练尼古丁代谢行为，从而可穿戴传感器可以监测药物的动态药代动力学和代谢特征。然而，传感器只有效地检测存储在浅表皮肤下的目标；因此，研究人员需要在进一步的研究中了解该值与血液或组织液中药物浓度的相关性。

外观

通过这种方式，王英利和他的同事展示了可穿戴等离子电子集成传感器作为下一代可穿戴设备。与现有的可穿戴电化学传感器相比，该传感器具有更宽的目标特异性和更高的稳定性。该集成装置弥补了个性化诊断和精确医疗之间现有的差距，可以实时跟踪体内的重要分子。该小组建议在闭环反馈药物输送系统中监控生理线路

索和药物浓度的应用，并期望可穿戴传感器激发一系列多学科应用。