可穿戴傳感技術(shù)是個(gè)性化醫(yī)療的重要環(huán)節(jié)，研究人員必須同時(shí)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(jìn)展》報(bào)告中，王英利和英國(guó)和中國(guó)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(tuán)隊(duì)展示了一種具有“通用”分子識(shí)別能力的可穿戴等離子體電子傳感器. 該團(tuán)隊(duì)引入了具有表面增強(qiáng)拉曼散射的柔性等離子體超表面(SERS) 活動(dòng)作為基本傳感組件。該系統(tǒng)包含靈活的汗液提取過(guò)程，可根據(jù)其獨(dú)特的拉曼散射光譜無(wú)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(cè)了體內(nèi)不同的痕量藥物量，以獲得個(gè)體藥物代謝特征。該傳感器彌補(bǔ)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(guò)程來(lái)評(píng)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(shí)別能力的可穿戴等離子體電子集成傳感平臺(tái)?？纱┐鱾鞲袨閭€(gè)性化醫(yī)療的未來(lái)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(wú)縫評(píng)估人類健康。這些設(shè)備使研究人員能夠持續(xù)評(píng)估生命體征，包括心率和體溫、排汗和身體活動(dòng). 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(duì)人體動(dòng)力學(xué)的洞察的非侵入性分子跟蹤技術(shù)仍有待實(shí)現(xiàn)。這些功能對(duì)于個(gè)性化精準(zhǔn)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(biāo)特異性的新策略，而不是單獨(dú)使用一個(gè)目標(biāo)來(lái)同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)新平臺(tái)，使用靈活的表面增強(qiáng)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(dòng)從身體中提取汗液和分析物。

該團(tuán)隊(duì)使用可穿戴傳感器對(duì)獨(dú)特的 SERS 光譜進(jìn)行了指紋識(shí)別。作為概念證明，他們檢測(cè)了人體內(nèi)藥物濃度的變化，以獲得個(gè)體的藥物代謝特征。集成的可穿戴傳感器彌補(bǔ)了實(shí)時(shí)跟蹤重要生化化合物的個(gè)性化診斷的現(xiàn)有差距?？茖W(xué)家們使用傳感平臺(tái)來(lái)監(jiān)測(cè)人體內(nèi)的生理線索或藥物濃度，以獲得個(gè)體的藥物代謝特征。然后使用集成的可穿戴傳感器，他們?cè)陂]環(huán)反饋藥物輸送系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)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(gè)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(tuán)隊(duì)將這些結(jié)構(gòu)連接到兩個(gè)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(wú)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(shí)驗(yàn)裝置中的傳感組件。位于納米立方體中的強(qiáng)電磁場(chǎng)產(chǎn)生了 SERS(表面增強(qiáng)拉曼散射)效應(yīng)，以檢測(cè)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(jiān)韌的支撐物，用于無(wú)刺激性的皮膚粘附。使用電極，該團(tuán)隊(duì)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(cè)提取的汗液中感興趣的目標(biāo)。首先，他們?cè)谝后w/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(yàn)證了納米立方體之間的平均間隙大小，并進(jìn)行了時(shí)域有限差分(FDTD) 數(shù)值模擬。元膜的機(jī)械順應(yīng)性和皮膚接觸允許高保真測(cè)量。然后，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了 SERS 薄膜并將其轉(zhuǎn)移到裝有激動(dòng)劑的水凝膠上，該激動(dòng)劑附著在分形網(wǎng)狀電極上。他們使用超薄螺旋設(shè)計(jì)來(lái)增加汗液誘導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械變形的耐受性，并通過(guò)開(kāi)發(fā)“互連島”設(shè)計(jì)階段以形成具有柔軟彈性電子系統(tǒng)的脆性 SERS 薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。該團(tuán)隊(duì)在 100 次測(cè)試循環(huán)后確認(rèn)了電子設(shè)備的耐用性，沒(méi)有任何可觀察到的信號(hào)衰減，以完美滿足可穿戴傳感器所需的職責(zé)。

生物傳感應(yīng)用

王等人。接下來(lái)招募健康志愿者進(jìn)行體內(nèi)(生理)測(cè)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(cè)皮膚中藥物的實(shí)際濃度與每個(gè)人的藥物輸送、吸收和代謝率的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，他們使用了一個(gè)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(wú)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)藥物的動(dòng)態(tài)藥代動(dòng)力學(xué)及其代謝特征。然而，傳感器 僅有效檢測(cè)存儲(chǔ)在淺表皮下的目標(biāo);因此，研究人員需要在進(jìn)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(guò)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(biāo)特異性和更高的穩(wěn)定性。該集成設(shè)備彌補(bǔ)了個(gè)性化診斷和精準(zhǔn)醫(yī)療方面的現(xiàn)有差距，可實(shí)時(shí)跟蹤體內(nèi)的重要分子。該團(tuán)隊(duì)提出了在閉環(huán)反饋給藥系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)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。