可穿戴傳感技術(shù)是個性化醫(yī)療的重要環(huán)節(jié)，研究人員必須同時跟蹤體內(nèi)的多種分析物，才能全面了解人體健康狀況。在一份新的《科學(xué)進展》報告中，王英利和英國和中國劍橋大學(xué)和浙江大學(xué)的生物系統(tǒng)、工程和信息科學(xué)科學(xué)家團隊展示了一種具有“通用”分子識別能力的可穿戴等離子體電子傳感器. 該團隊引入了具有表面增強拉曼散射的柔性等離子體超表面(SERS) 活動作為基本傳感組件。該系統(tǒng)包含靈活的汗液提取過程，可根據(jù)其獨特的拉曼散射光譜無創(chuàng)地提取體內(nèi)分析物和指紋。作為概念證明，他們成功地監(jiān)測了體內(nèi)不同的痕量藥物量，以獲得個體藥物代謝特征。該傳感器彌補了可穿戴傳感技術(shù)的空白，提供了一種通用、靈敏的分子跟蹤過程來評估人類健康。

可穿戴傳感器技術(shù)

王等人。提出了一種具有幾乎“通用”識別能力的可穿戴等離子體電子集成傳感平臺。可穿戴傳感為個性化醫(yī)療的未來提供了聯(lián)系，但此類傳感器必須克服剛性和柔軟彈性表面之間的根本不匹配，以層壓到皮膚、眼睛、神經(jīng)和牙齒等生物界面中，以無縫評估人類健康。這些設(shè)備使研究人員能夠持續(xù)評估生命體征，包括心率和體溫、排汗和身體活動. 盡管物理可穿戴傳感器取得了成功，但在分子水平上提供對人體動力學(xué)的洞察的非侵入性分子跟蹤技術(shù)仍有待實現(xiàn)。這些功能對于個性化精準醫(yī)療至關(guān)重要。在這種情況下，Wang 等人。旨在制定具有通用目標特異性的新策略，而不是單獨使用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，使用靈活的表面增強拉曼光譜 (SERS) 活性等離子體超表面作為關(guān)鍵傳感組件和靈活的電子系統(tǒng)，以自動從身體中提取汗液和分析物。

該團隊使用可穿戴傳感器對獨特的 SERS 光譜進行了指紋識別。作為概念證明，他們檢測了人體內(nèi)藥物濃度的變化，以獲得個體的藥物代謝特征。集成的可穿戴傳感器彌補了實時跟蹤重要生化化合物的個性化診斷的現(xiàn)有差距?？茖W(xué)家們使用傳感平臺來監(jiān)測人體內(nèi)的生理線索或藥物濃度，以獲得個體的藥物代謝特征。然后使用集成的可穿戴傳感器，他們在閉環(huán)反饋藥物輸送系統(tǒng)中監(jiān)測生理線索或藥物濃度。

等離子體超材料集成的可穿戴傳感設(shè)備包含兩個主要組件，包括一層薄薄的水凝膠，其中裝有分子以刺激汗腺分泌物。該團隊將這些結(jié)構(gòu)連接到兩個螺旋形分形網(wǎng)狀電極上，作為排汗組件。王等人。使用離子電滲療法(透皮給藥)用于該提取;廣泛用作診斷和治療設(shè)備中的無創(chuàng)汗液采樣方法。他們使用有序的銀納米立方體超晶格形成等離子體元膜，作為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產(chǎn)生了 SERS(表面增強拉曼散射)效應(yīng)，以檢測接近超薄膜表面的分子。他們將這兩種成分放在超低模量聚合物薄膜上，形成一種薄的、透氣的和物理堅韌的支撐物，用于無刺激性的皮膚粘附。使用電極，該團隊施加溫和的電流以輸送乙酰膽堿氯化物在水凝膠層分泌汗腺，以快速、局部地產(chǎn)生汗液。

可穿戴設(shè)備的傳感器依賴于有序的銀納米立方體超晶格超晶格薄膜產(chǎn)生的 SERS 效應(yīng)，研究小組據(jù)此檢測提取的汗液中感興趣的目標。首先，他們在液體/空氣界面組裝了單層密閉納米立方體陣列，隨后將該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為薄的柔性聚合物支撐體。然后，科學(xué)家們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。元膜的機械順應(yīng)性和皮膚接觸允許高保真測量。然后，該團隊開發(fā)了 SERS 薄膜并將其轉(zhuǎn)移到裝有激動劑的水凝膠上，該激動劑附著在分形網(wǎng)狀電極上。他們使用超薄螺旋設(shè)計來增加汗液誘導(dǎo)系統(tǒng)對機械變形的耐受性，并通過開發(fā)“互連島”設(shè)計階段以形成具有柔軟彈性電子系統(tǒng)的脆性 SERS 薄膜來實現(xiàn)這一目標。該團隊在 100 次測試循環(huán)后確認了電子設(shè)備的耐用性，沒有任何可觀察到的信號衰減，以完美滿足可穿戴傳感器所需的職責。

生物傳感應(yīng)用

王等人。接下來招募健康志愿者進行體內(nèi)(生理)測量，以證明該設(shè)備的排汗能力?？茖W(xué)家們使用尼古丁作為模型藥物，并監(jiān)測皮膚中藥物的實際濃度與每個人的藥物輸送、吸收和代謝率的關(guān)系。在實驗過程中，他們使用了一個可穿戴的 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(shè)備顯示汗液中尼古丁的 SERS 光譜，以匹配尼古丁標準的光譜。結(jié)果表明傳感器如何訓(xùn)練尼古丁的代謝行為，從而使可穿戴傳感器能夠監(jiān)測藥物的動態(tài)藥代動力學(xué)及其代謝特征。然而，傳感器 僅有效檢測存儲在淺表皮下的目標;因此，研究人員需要在進一步研究期間了解該值與血液或組織液中藥物濃度的相關(guān)性。

外表

通過這種方式，Yingli Wang 及其同事展示了作為下一代可穿戴設(shè)備的可穿戴等離子體電子集成傳感器。與現(xiàn)有的可穿戴電化學(xué)傳感器相比，該傳感器表現(xiàn)出更廣泛的目標特異性和更高的穩(wěn)定性。該集成設(shè)備彌補了個性化診斷和精準醫(yī)療方面的現(xiàn)有差距，可實時跟蹤體內(nèi)的重要分子。該團隊提出了在閉環(huán)反饋給藥系統(tǒng)中監(jiān)測生理線索和藥物濃度的應(yīng)用，并期望可穿戴傳感器激發(fā)一系列多學(xué)科應(yīng)用。