作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 等离子超材料——集成可穿戴SERS传感设备
(一)显示该装置的工作原理和设计的示意图，(二)由两个主要部件(汗液提取部件和SERS传感部件)组成，其风格看起来像阴阳符号
插图突出显示了元胶片附近的按键感应界面
(3)设备的光学图像和(4)排汗部件的放大光学图像
在螺旋分形网状电极上安装了一层薄的水凝胶层，其中含有刺激汗腺分泌的分子(乙酰胆碱氯化物)
请注意，为了突出显示对比度，只有一个电极安装了水凝胶层和等离子体元膜
图片来源:浙江大学王英利
安装在电极中心的SERS传感元件的高分辨率透射电子显微镜图像，该电极是由有序银纳米立方体超晶格形成的等离子体元膜
比例尺，1厘米(摄氏度)、5毫米(摄氏度)、50纳米(摄氏度)和5纳米(华氏度)
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abe4553 可穿戴传感技术是个性化医学的一个重要环节，研究人员必须同时跟踪人体内的多种分析物，以获得人体健康的完整图像
在《科学进展》的一份新报告中，王英利和一组来自美国剑桥大学和浙江大学的生物系统、工程和信息科学的科学家
K
和中国，展示了具有“通用”分子识别能力的可穿戴等离子电子传感器
该团队引入了具有表面增强拉曼散射(SERS)活性的柔性等离子体亚表面作为基本传感组件
该系统包含一个灵活的汗液提取过程，根据人体内分析物独特的拉曼散射光谱，对其进行无创提取和指纹识别
作为概念的证明，他们成功地监测了体内不同的微量药物量，以获得个体药物代谢概况
该传感器填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
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
可穿戴传感技术为个性化医学的未来提供了一条纽带，但这种传感器必须克服刚性和柔性弹性表面之间的基本不匹配，才能层压成皮肤、眼睛、神经和牙齿等生物界面，从而无缝评估人类健康
这些设备允许研究人员持续评估生命体征，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洞察的非侵入性分子跟踪技术仍有待实现
这些能力对于个性化精确医疗至关重要
在这种情况下，王等人
旨在开发一种具有通用目标特异性的新策略，而不是仅使用一个目标来同时跟踪多个目标
该团队开发了一个新的平台，使用灵活的表面增强拉曼光谱(serve活性等离子体亚表面作为关键的传感组件，并使用灵活的电子系统自动从身体中提取汗液和分析物
该装置的SERS传感部件的特性
(一)显示数控元胶片SERS传感原理的示意图
提取的汗液中的分析物从底部被吸引到数控元膜中的电磁热点，这可以通过背面元膜的SERS技术(反向激发和收集)进行原位检测
(二)数控亚曲面电磁热点局部电场增强的FDTD模拟
浸入不同浓度探针分子溶液中的纳米金膜的SERS光谱(平均每个浓度随机选择20个位置，采集时间为1秒，使用10倍物镜，激光功率为0
33兆瓦)
用拉曼探针(CV，10-5m)处理后的纳米晶薄膜的拉曼强度图(~ 1621cm-1)
使用后向和前向收集方法比较SERS对各种CV解的响应(~ 1621cm-1)
(六)含有不同药物的人体汗液样品的SERS光谱(0
2 M利多卡因、103m可卡因和105m甲氨蝶呤)和空白汗液样品(使用10倍或50倍物镜和功率为0的激光
15比0
66毫瓦，采集时间为6至30秒)
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abe4553 作用机理及传感器的发展 该团队使用可穿戴传感器采集了独特的SERS光谱
作为概念的证明，他们检测人体内药物浓度的变化，以获得个体的药物代谢概况
集成式可穿戴传感器弥补了现有个性化诊断的不足，可实时跟踪重要的生化化合物
科学家们使用传感平台来监测人体内的生理信号或药物浓度，以获得个人的药物代谢概况
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控生理线索或药物浓度
集成了超材料的等离子体感应装置包含两个主要部件，包括一层薄的水凝胶，里面装有刺激汗腺分泌的分子
研究小组将这些结构附着在两个螺旋分形网状电极上，作为排汗部件
王等
使用离子电渗法(经皮给药)进行提取；广泛用作用于诊断和治疗目的的设备中的非侵入性汗液取样方法
他们使用有序的银纳米立方体超晶格作为安装在实验装置中的传感元件，形成了等离子体元膜
位于纳米管中的强电磁场产生了SERS效应(表面增强拉曼散射)来探测接近元膜表面的分子
他们将这两种成分放在一层超低模量的聚合物薄膜上，形成一层薄的、透气的、物理上坚韧的支持物，用于无刺激的皮肤粘合
利用这些电极，研究小组施加了一种温和的电流，将水凝胶层中的乙酰胆碱输送到分泌汗腺，从而快速、局部地产生汗液
设备的机械特性
(一)变形下传感器的光学图像
(二)可拉伸电极保护环区域在各种变形下的有限元应变分布分析，表明保护环可以隔离软弹性体的大变形，从而避免对SERS传感元件的潜在破坏性塑性应变
传感器在各种变形下的SERS响应
(四)循环拉伸试验后SERS传感器的特性
(五)电极在各种变形下的电阻变化
循环拉伸试验后电极的电阻变化
(七)传感器安装在人体皮肤上的照片，以及(八)在各种条件下的照片
图片来源:湘江柳，浙江大学
比例尺，1毫米(B)和1厘米(G和H)
误差线被定义为标准差
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abe4553 可穿戴传感器的SERS传感元件和机械特性 这种可穿戴设备的传感器依赖于有序银纳米立方体超晶格元膜产生的SERS效应，在此基础上，研究小组在提取的汗液中检测出感兴趣的目标
首先，他们在液体/空气界面上组装了一个单层的封闭填充纳米立方体阵列，随后将该结构转变成一个薄的柔性聚合物载体
然后，科学家们使用高分辨率透射电子显微镜图像验证了纳米立方体之间的平均间隙大小，并进行时域有限差分(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
研究小组随后开发了SERS薄膜，并将其转移到一种水凝胶上，该水凝胶中装有一种附着在分形网状电极上的激动剂
他们使用超薄螺旋设计来增加排汗系统对机械变形的容忍度，并通过开发“互联岛”设计阶段来形成具有柔软和弹性电子系统的脆性SERS薄膜来实现这一点
该团队在100个测试周期后确认了电子设备的耐用性，没有任何可观察到的信号退化，以完美地完成可穿戴传感器所需的任务
我们传感器的体内传感性能
(一)排汗系统工作原理示意图
(二)周期性出汗后皮肤水分含量的变化(使用含10%乙酰胆碱氯化物的水凝胶，离子电渗电流为0
5毫安持续5分钟)
(三)不同离子导入时间(0-10分钟)诱导汗液分泌特征
分泌持续时间代表皮肤电导超过基线的总时间(测量在60分钟停止)
(四)使用我们的集成传感器(带汗液提取)和(五)对照组(不打开汗液提取的离子电渗电流)实时监测人体皮肤中的尼古丁
使用0的激光功率收集光谱
33毫瓦和10倍物镜(采集时间，1秒)
(六)试验组和对照组(不通电或不贴尼古丁贴片)出汗后尼古丁特征拉曼峰的演变
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abe4553 生物传感应用 王等
接下来招募健康志愿者进行体内(生理)测量，以证明该装置的排汗能力
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，他们使用了一个可佩戴的SERS传感器，该传感器与志愿者前臂上的小型电源和无线控制单元相连
该装置显示了汗液中尼古丁的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概况
然而，该传感器仅有效地检测存储在浅层下表皮中的目标；因此，在进一步的研究中，研究人员需要了解这个值与血液或组织液中药物浓度的关系
人体皮肤尼古丁代谢过程的体内监测
(一)实验示意图
将含有约10毫克的尼古丁贴片贴在志愿者的前臂上2小时，然后取出
彻底清洁皮肤后，我们的传感器提取并分析皮肤中残留的尼古丁
(乙和丙)剩余尼古丁浓度的变化是从两个位置测量的(传感器甲直接在修补区域；传感器B连接在大约2厘米远的地方)
每次测量在排汗20分钟后进行(0
5毫安离子电渗电流，10%乙酰胆碱加载水凝胶)，并连续收集接下来10分钟的传感器响应
获得的平均尼古丁水平如图所示
阴影区域表示测量的标准差
贴敷后提取的汗液中尼古丁浓度的距离依赖性
六个传感器沿着臂以0到12的距离放置
距离配线区5厘米
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abe4553 前景 通过这种方式，王英利和他的同事展示了一种可穿戴的等离子体电子集成传感器，作为下一代可穿戴设备
与现有的可穿戴电化学传感器相比，这种传感器显示出更宽的目标特异性和更高的稳定性
该集成设备填补了个性化诊断和精确医学的现有空白，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，并期望这种可佩戴传感器能够激发一系列多学科应用
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