等離子體等離子材料集成的可穿戴SERS傳感設備。（A）顯示該設備工作原理和設計的示意圖；（B）由兩個主要組件（排汗組件和SERS感應組件）組成，其樣式看起來像是陰陽符號。插圖突出顯示了干膠片附近的按鍵感應界面。（C）該設備的光學圖像，（D）出汗組件的放大光學圖像。在螺旋形的分形網(wǎng)狀電極上安裝了一層薄薄的水凝膠層，上面裝有刺激汗腺分泌的分子（乙酰膽堿氯化物）。請注意，為了突出顯示的對比度，只有一個電極安裝了水凝膠層和等離激元超膜。圖片來源：浙江大學王英利。（E和F）安裝在電極中央的SERS傳感組件的高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）圖像，該組件是由有序的銀納米立方體（NC）超晶格形成的等離子超薄膜。1 cm（C），5 mm（D），50 nm（E）和5 nm（F）的比例尺。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.abe4553

可穿戴式傳感技術是個性化醫(yī)學中必不可少的環(huán)節(jié)，研究人員必須同時跟蹤體內(nèi)的多種分析物，以獲取完整的人體健康信息。在一份關于科學進展的新報告中，王英利和英國及中國劍橋大學和浙江大學生物系統(tǒng)，工程和信息科學領域的科學家團隊介紹了一種具有“通用”分子識別能力的可穿戴等離子體電子傳感器。 該團隊介紹了具有表面增強拉曼散射的柔性等離子超表面（SERS）活動是基本的傳感組件。該系統(tǒng)包含靈活的汗液提取過程，可基于其獨特的拉曼散射光譜以非侵入性方式提取和指紋識別體內(nèi)的分析物。作為概念的證明，他們成功地監(jiān)測了體內(nèi)各種微量藥物的含量，以獲得單獨的藥物代謝特征。該傳感器彌補了可穿戴傳感技術的空白，從而提供了一種通用的，敏感的分子跟蹤過程來評估人體健康。

可穿戴式傳感器技術

Wang等。提出了一種具有幾乎“通用”識別能力的可穿戴等離子電子集成傳感平臺�？纱┐魇絺鞲屑夹g為個性化醫(yī)學的未來提供了聯(lián)系，但是這種傳感器必須克服剛性和軟質(zhì)彈性表面之間的根本失配，才能層壓到生物界面（如皮膚，眼睛，神經(jīng)和牙齒）中，以無縫評估人體健康。該設備使研究人員能夠不斷評估生命體征，包括心率和體溫，汗液和身體活動。盡管物理可穿戴傳感器取得了成功，但仍需要實現(xiàn)能夠在分子水平上洞悉人體動力學的非侵入性分子跟蹤技術。這些功能對于個性化精準醫(yī)學至關重要。在這種情況下，王等。旨在開發(fā)一種具有通用目標特異性的新策略，而不是單獨擁有一個目標來同時跟蹤多個目標。該團隊開發(fā)了一個新平臺，該平臺使用了柔性的表面增強拉曼光譜（SERS）活性等離子超表面作為關鍵的傳感組件，并使用了一個柔性的電子系統(tǒng)來自動從身體中提取汗液和分析物。

設備的SERS感應組件的特征。（A）示意圖，顯示了NC超膠片的SERS感應原理。提取的汗液中的分析物從底部被抽至NC超膜的EM熱點，可以通過SERS技術從背面超膜原位檢測（向后激發(fā)和收集）。（B）FDTD模擬NC超表面中EM熱點的局部電場增強。（C）浸沒在具有不同濃度的探針分子（CV）溶液中的NC超膜的SERS光譜（對于每個濃度，平均20個隨機選擇的位置，采集時間為1秒，使用10倍物鏡和0.33激光功率mW）。（D）用拉曼探針（CV，10-5 M）處理后NC超膜的拉曼強度圖（?1621 cm-1）。（E）使用向后和向前收集方法比較SERS對各種CV解決方案的響應（?1621 cm-1）。（F）包含不同藥物（0.2 M利多卡因，10?3 M可卡因和10?5 M甲氨蝶呤）和空白汗液樣品（使用10倍或50倍物鏡和0.15激光的功率）的人類汗液樣品的SERS光譜0.66 mW，采集時間為6到30 s）。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.abe4553

作用機理與傳感器的發(fā)展

該團隊使用可穿戴式傳感器對獨特的SERS光譜進行了指紋識別。作為概念的證明，他們檢測了人體中藥物濃度的變化以獲得個人的藥物代謝特征。集成的可穿戴傳感器彌合了個性化診斷中的現(xiàn)有差距，可以實時跟蹤重要的生化化合物。科學家使用傳感平臺監(jiān)測人體中的生理線索或藥物濃度，以獲得個人的藥物代謝特征。然后，他們使用集成的可穿戴式傳感器，在閉環(huán)反饋藥物輸送系統(tǒng)中監(jiān)測了生理線索或藥物濃度。

集成了等離子激元材料的可穿戴傳感設備包含兩個主要組件，其中包括一層薄薄的水凝膠，其中裝有可刺激汗腺分泌的分子。研究小組將這些構造物連接到兩個螺旋形分形網(wǎng)狀電極上，以用作排汗組件。Wang等。使用了離子電滲療法（透皮給藥）進行這種提取；廣泛用作診斷和治療目的設備中的非侵入性汗液采樣方法。他們使用有序的銀納米立方體超晶格形成了等離子超薄膜，用作安裝在實驗裝置中的傳感組件。位于納米立方體中的強電磁場引起SERS（表面增強拉曼散射）效應，以檢測接近超膜表面的分子。他們將這兩種成分放在超低模量的聚合物薄膜上，形成了一層薄，透氣且物理堅韌的支撐物，以無刺激性地粘附皮膚。該團隊使用電極施加了適度的電流以傳遞乙酰膽堿氯化物在水凝膠層中到分泌性汗腺，以快速，局部地產(chǎn)生汗水。

設備的機械特性。（A）傳感器變形時的光學圖像。（B）在各種變形下對可拉伸電極的保護環(huán)區(qū)域的FEM應變分布分析，表明該保護環(huán)可以將較大的變形隔離到軟彈性體中，從而避免了對SERS傳感組件產(chǎn)生潛在的破壞性塑性應變。（C）傳感器在各種變形下的SERS響應。（D）循環(huán)拉伸試驗后SERS傳感器的特性。（E）電極在各種變形下的電阻變化。（F）循環(huán)拉伸試驗后電極中的電阻變化。（G）在人體皮膚上安裝的傳感器的照片，以及（H）在各種條件下的照片。圖片來源：浙江大學劉向江。比例尺為1毫米（B）和1厘米（G和H）。誤差線定義為±SD。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.abe4553

SERS感應組件和可穿戴式傳感器的機械性能

可穿戴設備的傳感器取決于有序的銀納米立方體超晶格超膜所產(chǎn)生的SERS效應，基于此，研究小組在提取的汗液中檢測出感興趣的目標。首先，他們在液/氣界面處組裝了單層的密堆積納米立方體陣列，隨后將構建體轉化為薄的柔性聚合物載體。然后，科學家使用高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）圖像驗證了納米立方體之間的平均間隙大小，并進行了時域有限差分（FDTD）數(shù)值模擬。異質(zhì)膜的機械順應性和皮膚接觸允許進行高保真度測量。然后，研究小組開發(fā)了SERS膜，并將其轉移到負載了分形網(wǎng)狀電極的激動劑上的水凝膠。他們使用超薄螺旋設計來增加出汗系統(tǒng)對機械變形的耐受性，并通過開發(fā)“互連島”設計階段來形成具有柔軟和彈性電子系統(tǒng)的脆性SERS膜，從而實現(xiàn)了這一目的。該團隊確認了100個測試周期后電子設備的耐用性，沒有任何可觀察到的信號衰減，可以完美地完成可穿戴傳感器所需的功能。

我們傳感器的體內(nèi)感測性能。（A）示意圖，顯示出汗系統(tǒng)的工作原理。（B）定期吸汗后皮膚水分含量的變化（使用含有10％乙酰膽堿氯化物的水凝膠，離子電滲電流為0.5 mA，持續(xù)5分鐘）。（C）響應于不同的離子電滲療法時間（0至10分鐘）誘導的汗液分泌特性。分泌持續(xù)時間代表高于基線的皮膚電導的總時間（在60分鐘時停止測量）。（D）使用我們的集成傳感器（帶排汗）和（E）對照組（不打開用于排汗的離子電滲流），實時監(jiān)測人皮膚中的尼古丁。使用0.33 mW的激光功率和10倍物鏡（采集時間為1 s）收集光譜。（F）在試驗組和對照組（未接通電流或未附著尼古丁貼劑）抽汗后，尼古丁的特征拉曼峰的演變。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.abe4553

生物傳感應用

Wang等。接下來招募健康志愿者進行體內(nèi)（生理）測量，以證明該設備的除汗能力�？茖W家使用尼古丁作為模型藥物，并監(jiān)測了藥物在皮膚中的實際濃度與每個人的藥物輸送，吸收和代謝率的關系。在實驗過程中，他們使用了可穿戴的SERS傳感器，該傳感器與志愿者前臂上的緊湊型電源和無線控制單元相連。該設備顯示出汗液中尼古丁的SERS光譜，以匹配尼古丁標準品的光譜。結果表明該傳感器如何訓練尼古丁的代謝行為，以使可穿戴傳感器能夠監(jiān)測藥物的動態(tài)藥代動力學及其代謝曲線。但是，傳感器 僅有效地檢測到淺表亞表層中存儲的目標；因此，研究人員將需要在進一步研究中了解該值與血液或間質(zhì)液中藥物濃度的關系。

人體皮膚中尼古丁代謝過程的體內(nèi)監(jiān)測。（A）實驗的示意圖。將包含?10 mg的尼古丁貼劑貼在志愿者的前臂上2小時，然后將其取出。徹底清潔皮膚后，我們的傳感器會提取并分析皮膚中殘留的尼古丁。（B和C）從兩個位置（傳感器A直接位于修補區(qū)域；傳感器B連接約2厘米）測量了剩余尼古丁濃度的變化。在出汗20分鐘（0.5 mA離子電滲療法電流，10％乙酰膽堿氯化物負載的水凝膠）抽出20分鐘后進行每次測量，并連續(xù)收集接下來10分鐘的傳感器響應。圖中顯示了獲得的平均尼古丁水平。陰影區(qū)域表示測量值的±SD。（D）貼劑后抽出的汗液中尼古丁濃度的距離依賴性。六個傳感器沿著手臂放置在距修補區(qū)域0到12.5 cm的距離處。圖片來源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.abe4553

總結

這樣，Yingli Wang及其同事展示了一種可穿戴等離子電子集成傳感器，作為下一代可穿戴設備。與現(xiàn)有的可穿戴式電化學傳感器相比，該傳感器顯示出更廣泛的靶標特異性和更高的穩(wěn)定性。該集成設備彌合了個性化診斷和精密醫(yī)學領域的現(xiàn)有差距，從而可以實時跟蹤體內(nèi)的重要分子。該團隊提出了在閉環(huán)反饋藥物輸送系統(tǒng)中監(jiān)測生理線索和藥物濃度的應用，并希望可穿戴式傳感器能夠激發(fā)一系列的多學科應用。