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可穿戴的等离子-表面传感器,用于生物界面上的通用分子指纹检测
来源:赛斯维传感器 发表于 2021/3/15

等离子体等离子材料集成的可穿戴sers传感设备。(a)显示该设备工作原理和设计的示意图;(b)由两个主要组件(排汗组件和sers感应组件)组成,其样式看起来像是阴阳符号。插图突出显示了干胶片附近的按键感应界面。(c)该设备的光学图像,(d)出汗组件的放大光学图像。在螺旋形的分形网状电极上安装了一层薄薄的水凝胶层,上面装有刺激汗腺分泌的分子(乙酰胆碱氯化物)。请注意,为了突出显示的对比度,只有一个电极安装了水凝胶层和等离激元超膜。图片来源:浙江大学王英利。(e和f)安装在电极中央的sers传感组件的高分辨率透射电子显微镜(tem)图像,该组件是由有序的银纳米立方体(nc)超晶格形成的等离子超薄膜。1 cm(c),5 mm(d),50 nm(e)和5 nm(f)的比例尺。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.abe4553


可穿戴式传感技术是个性化医学中必不可少的环节,研究人员必须同时跟踪体内的多种分析物,以获取完整的人体健康信息。在一份关于科学进展的新报告中,王英利和英国及中国剑桥大学和浙江大学生物系统,工程和信息科学领域的科学家团队介绍了一种具有“通用”分子识别能力的可穿戴等离子体电子传感器。 该团队介绍了具有表面增强拉曼散射的柔性等离子超表面(sers)活动是基本的传感组件。该系统包含灵活的汗液提取过程,可基于其独特的拉曼散射光谱以非侵入性方式提取和指纹识别体内的分析物。作为概念的证明,他们成功地监测了体内各种微量药物的含量,以获得单独的药物代谢特征。该传感器弥补了可穿戴传感技术的空白,从而提供了一种通用的,敏感的分子跟踪过程来评估人体健康。


可穿戴式传感器技术

wang等。提出了一种具有几乎“通用”识别能力的可穿戴等离子电子集成传感平台。可穿戴式传感技术为个性化医学的未来提供了联系,但是这种传感器必须克服刚性和软质弹性表面之间的根本失配,才能层压到生物界面(如皮肤,眼睛,神经和牙齿)中,以无缝评估人体健康。该设备使研究人员能够不断评估生命体征,包括心率和体温,汗液和身体活动。尽管物理可穿戴传感器取得了成功,但仍需要实现能够在分子水平上洞悉人体动力学的非侵入性分子跟踪技术。这些功能对于个性化精准医学至关重要。在这种情况下,王等。旨在开发一种具有通用目标特异性的新策略,而不是单独拥有一个目标来同时跟踪多个目标。该团队开发了一个新平台,该平台使用了柔性的表面增强拉曼光谱(sers)活性等离子超表面作为关键的传感组件,并使用了一个柔性的电子系统来自动从身体中提取汗液和分析物。

设备的sers感应组件的特征。(a)示意图,显示了nc超胶片的sers感应原理。提取的汗液中的分析物从底部被抽至nc超膜的em热点,可以通过sers技术从背面超膜原位检测(向后激发和收集)。(b)fdtd模拟nc超表面中em热点的局部电场增强。(c)浸没在具有不同浓度的探针分子(cv)溶液中的nc超膜的sers光谱(对于每个浓度,平均20个随机选择的位置,采集时间为1秒,使用10倍物镜和0.33激光功率mw)。(d)用拉曼探针(cv,10-5 m)处理后nc超膜的拉曼强度图(?1621 cm-1)。(e)使用向后和向前收集方法比较sers对各种cv开元ky7818老版本的解决方案的响应(?1621 cm-1)。(f)包含不同药物(0.2 m利多卡因,10?3 m可卡因和10?5 m甲氨蝶呤)和空白汗液样品(使用10倍或50倍物镜和0.15激光的功率)的人类汗液样品的sers光谱0.66 mw,采集时间为6到30 s)。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.abe4553


作用机理与传感器的发展

该团队使用可穿戴式传感器对独特的sers光谱进行了指纹识别。作为概念的证明,他们检测了人体中药物浓度的变化以获得个人的药物代谢特征。集成的可穿戴传感器弥合了个性化诊断中的现有差距,可以实时跟踪重要的生化化合物。科学家使用传感平台监测人体中的生理线索或药物浓度,以获得个人的药物代谢特征。然后,他们使用集成的可穿戴式传感器,在闭环反馈药物输送系统中监测了生理线索或药物浓度。


集成了等离子激元材料的可穿戴传感设备包含两个主要组件,其中包括一层薄薄的水凝胶,其中装有可刺激汗腺分泌的分子。研究小组将这些构造物连接到两个螺旋形分形网状电极上,以用作排汗组件。wang等。使用了离子电渗疗法(透皮给药)进行这种提取;广泛用作诊断和治疗目的设备中的非侵入性汗液采样方法。他们使用有序的银纳米立方体超晶格形成了等离子超薄膜,用作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引起sers(表面增强拉曼散射)效应,以检测接近超膜表面的分子。他们将这两种成分放在超低模量的聚合物薄膜上,形成了一层薄,透气且物理坚韧的支撑物,以无刺激性地粘附皮肤。该团队使用电极施加了适度的电流以传递乙酰胆碱氯化物在水凝胶层中到分泌性汗腺,以快速,局部地产生汗水。

设备的机械特性。(a)传感器变形时的光学图像。(b)在各种变形下对可拉伸电极的保护环区域的fem应变分布分析,表明该保护环可以将较大的变形隔离到软弹性体中,从而避免了对sers传感组件产生潜在的破坏性塑性应变。(c)传感器在各种变形下的sers响应。(d)循环拉伸试验后sers传感器的特性。(e)电极在各种变形下的电阻变化。(f)循环拉伸试验后电极中的电阻变化。(g)在人体皮肤上安装的传感器的照片,以及(h)在各种条件下的照片。图片来源:浙江大学刘向江。比例尺为1毫米(b)和1厘米(g和h)。误差线定义为±sd。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.abe4553


sers感应组件和可穿戴式传感器的机械性能

可穿戴设备的传感器取决于有序的银纳米立方体超晶格超膜所产生的sers效应,基于此,研究小组在提取的汗液中检测出感兴趣的目标。首先,他们在液/气界面处组装了单层的密堆积纳米立方体阵列,随后将构建体转化为薄的柔性聚合物载体。然后,科学家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。异质膜的机械顺应性和皮肤接触允许进行高保真度测量。然后,研究小组开发了sers膜,并将其转移到负载了分形网状电极的激动剂上的水凝胶。他们使用超薄螺旋设计来增加出汗系统对机械变形的耐受性,并通过开发“互连岛”设计阶段来形成具有柔软和弹性电子系统的脆性sers膜,从而实现了这一目的。该团队确认了100个测试周期后电子设备的耐用性,没有任何可观察到的信号衰减,可以完美地完成可穿戴传感器所需的功能。

我们传感器的体内感测性能。(a)示意图,显示出汗系统的工作原理。(b)定期吸汗后皮肤水分含量的变化(使用含有10%乙酰胆碱氯化物的水凝胶,离子电渗电流为0.5 ma,持续5分钟)。(c)响应于不同的离子电渗疗法时间(0至10分钟)诱导的汗液分泌特性。分泌持续时间代表高于基线的皮肤电导的总时间(在60分钟时停止测量)。(d)使用我们的集成传感器(带排汗)和(e)对照组(不打开用于排汗的离子电渗流),实时监测人皮肤中的尼古丁。使用0.33 mw的激光功率和10倍物镜(采集时间为1 s)收集光谱。(f)在试验组和对照组(未接通电流或未附着尼古丁贴剂)抽汗后,尼古丁的特征拉曼峰的演变。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.abe4553


生物传感应用

wang等。接下来招募健康志愿者进行体内(生理)测量,以证明该设备的除汗能力。科学家使用尼古丁作为模型药物,并监测了药物在皮肤中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。该设备显示出汗液中尼古丁的sers光谱,以匹配尼古丁标准品的光谱。结果表明该传感器如何训练尼古丁的代谢行为,以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曲线。但是,传感器 仅有效地检测到浅表亚表层中存储的目标;因此,研究人员将需要在进一步研究中了解该值与血液或间质液中药物浓度的关系。

人体皮肤中尼古丁代谢过程的体内监测。(a)实验的示意图。将包含?10 mg的尼古丁贴剂贴在志愿者的前臂上2小时,然后将其取出。彻底清洁皮肤后,我们的传感器会提取并分析皮肤中残留的尼古丁。(b和c)从两个位置(传感器a直接位于修补区域;传感器b连接约2厘米)测量了剩余尼古丁浓度的变化。在出汗20分钟(0.5 ma离子电渗疗法电流,10%乙酰胆碱氯化物负载的水凝胶)抽出20分钟后进行每次测量,并连续收集接下来10分钟的传感器响应。图中显示了获得的平均尼古丁水平。阴影区域表示测量值的±sd。(d)贴剂后抽出的汗液中尼古丁浓度的距离依赖性。六个传感器沿着手臂放置在距修补区域0到12.5 cm的距离处。图片来源:science advances,doi:10.1126 / sciadv.abe4553


总结

这样,yingli wang及其同事展示了一种可穿戴等离子电子集成传感器,作为下一代可穿戴设备。与现有的可穿戴式电化学传感器相比,该传感器显示出更广泛的靶标特异性和更高的稳定性。该集成设备弥合了个性化诊断和精密医学领域的现有差距,从而可以实时跟踪体内的重要分子。该团队提出了在闭环反馈药物输送系统中监测生理线索和药物浓度的应用,并希望可穿戴式传感器能够激发一系列的多学科应用。


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