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用于生物界面上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多种分析物,才能全面了解人体健康状况。在一份新的《科学进展》报告中,王英利和英国和中国剑桥大学和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体电子传感器. 该团队引入了具有表面增强拉曼散射的柔性等离子体超表面(SERS) 活动作为基本传感组件。该系统包含灵活的汗液提取过程,可根据其独特的拉曼散射光谱无创地提取体内分析物和指纹。作为概念证明,他们成功地监测了体内不同的痕量药物量,以获得个体药物代谢特征。该传感器弥补了可穿戴传感技术的空白,提供了一种通用、灵敏的分子跟踪过程来评估人类健康。

可穿戴传感器技术

王等人。提出了一种具有几乎“通用”识别能力的可穿戴等离子体电子集成传感平台。可穿戴传感为个性化医疗的未来提供了联系,但此类传感器必须克服刚性和柔软弹性表面之间的根本不匹配,以层压到皮肤、眼睛、神经和牙齿等生物界面中,以无缝评估人类健康。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对人体动力学的洞察的非侵入性分子跟踪技术仍有待实现。这些功能对于个性化精准医疗至关重要。在这种情况下,Wang 等人。旨在制定具有通用目标特异性的新策略,而不是单独使用一个目标来同时跟踪多个目标。该团队开发了一个新平台,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传感组件和灵活的电子系统,以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对独特的 SERS 光谱进行了指纹识别。作为概念证明,他们检测了人体内药物浓度的变化,以获得个体的药物代谢特征。集成的可穿戴传感器弥补了实时跟踪重要生化化合物的个性化诊断的现有差距。科学家们使用传感平台来监测人体内的生理线索或药物浓度,以获得个体的药物代谢特征。然后使用集成的可穿戴传感器,他们在闭环反馈药物输送系统中监测生理线索或药物浓度。

等离子体超材料集成的可穿戴传感设备包含两个主要组件,包括一层薄薄的水凝胶,其中装有分子以刺激汗腺分泌物。该团队将这些结构连接到两个螺旋形分形网状电极上,作为排汗组件。王等人。使用离子电渗疗法(透皮给药)用于该提取;广泛用作诊断和治疗设备中的无创汗液采样方法。他们使用有序的银纳米立方体超晶格形成等离子体元膜,作为安装在实验装置中的传感组件。位于纳米立方体中的强电磁场产生了 SERS(表面增强拉曼散射)效应,以检测接近超薄膜表面的分子。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、透气的和物理坚韧的支撑物,用于无刺激性的皮肤粘附。使用电极,该团队施加温和的电流以输送乙酰胆碱氯化物在水凝胶层分泌汗腺,以快速、局部地产生汗液。

可穿戴设备的传感器依赖于有序的银纳米立方体超晶格超晶格薄膜产生的 SERS 效应,研究小组据此检测提取的汗液中感兴趣的目标。首先,他们在液体/空气界面组装了单层密闭纳米立方体阵列,随后将该结构转化为薄的柔性聚合物支撑体。然后,科学家们使用高分辨率透射电子显微镜 (TEM) 图像验证了纳米立方体之间的平均间隙大小,并进行了时域有限差分(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,该团队开发了 SERS 薄膜并将其转移到装有激动剂的水凝胶上,该激动剂附着在分形网状电极上。他们使用超薄螺旋设计来增加汗液诱导系统对机械变形的耐受性,并通过开发“互连岛”设计阶段以形成具有柔软弹性电子系统的脆性 SERS 薄膜来实现这一目标。该团队在 100 次测试循环后确认了电子设备的耐用性,没有任何可观察到的信号衰减,以完美满足可穿戴传感器所需的职责。

生物传感应用

王等人。接下来招募健康志愿者进行体内(生理)测量,以证明该设备的排汗能力。科学家们使用尼古丁作为模型药物,并监测皮肤中药物的实际浓度与每个人的药物输送、吸收和代谢率的关系。在实验过程中,他们使用了一个可穿戴的 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,以匹配尼古丁标准的光谱。结果表明传感器如何训练尼古丁的代谢行为,从而使可穿戴传感器能够监测药物的动态药代动力学及其代谢特征。然而,传感器 仅有效检测存储在浅表皮下的目标;因此,研究人员需要在进一步研究期间了解该值与血液或组织液中药物浓度的相关性。

外表

通过这种方式,Yingli Wang 及其同事展示了作为下一代可穿戴设备的可穿戴等离子体电子集成传感器。与现有的可穿戴电化学传感器相比,该传感器表现出更广泛的目标特异性和更高的稳定性。该集成设备弥补了个性化诊断和精准医疗方面的现有差距,可实时跟踪体内的重要分子。该团队提出了在闭环反馈给药系统中监测生理线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。

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