可穿戴汗液傳感器在人體健康及疾病相關(guān)的臨床信息中發(fā)揮著重要的作用。但由于該傳感器主要依靠酶和抗體來實(shí)現(xiàn)應(yīng)激生物標(biāo)志物的特定量化，而酶和抗體易降解，最終會影響傳感器，使其性能不佳。據(jù)麥姆斯咨詢報道，Umesha Mogera和美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M University）的生物醫(yī)學(xué)工程科學(xué)家開發(fā)了一種可穿戴等離子體紙基微流控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時且連續(xù)分析汗液流失量、流失速度，以及該代謝產(chǎn)物的成分。該研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上。該科研團(tuán)隊開發(fā)的基于無標(biāo)記表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）的等離子體傳感器，為分析物識別提供化學(xué)指紋。他們展示了在生理和病理狀態(tài)下汗液中尿酸的檢測靈敏度，該微流控系統(tǒng)還有助于對有意義的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定量。他們設(shè)計的可穿戴等離子體器件具有柔軟、有彈性且可伸縮的性質(zhì)，可直接接觸皮膚，而無化學(xué)或物理刺激。

紙基微流控器件的流動特性：（A）不同紙張通道寬度（（i）1毫米寬；（ii）2毫米寬；（iii）3毫米寬）的蛇形紙基微流控器件，以及（iv）2毫米通道寬集成等離子體傳感器的蛇形紙基微流控器件，在10微升水經(jīng)過同等時間的不同流動距離；（B）液體流動距離與輸入液體體積成一定比例的函數(shù)；（C）經(jīng)過0.7分鐘直到11.1分鐘，2毫米寬紙基微流控器件中液體流動距離隨時間的推移而變化；（D）不同通道寬度下，紙基微流控中液體流動距離與時間的關(guān)系。實(shí)線為實(shí)驗數(shù)據(jù)（點(diǎn)）的擬合曲線。（注：圖中比例尺：5毫米）

檢測尿酸以進(jìn)行疾病管理

材料科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一系列生理傳感器，用于連續(xù)測量物理和化學(xué)生物標(biāo)志物，應(yīng)用于疾病診斷、健康監(jiān)測和個性化醫(yī)療。可穿戴汗液傳感器可以檢測汗液中的各種化學(xué)物質(zhì)，包括電解質(zhì)、代謝物、重金屬、藥物和激素等，以了解它們對人體的生理及病理性影響。汗液中氯化物濃度可以為囊性纖維化提供標(biāo)準(zhǔn)的診斷篩查參數(shù)，而汗液中葡萄糖的定量檢測則可用于糖尿病管理。同樣，尿酸也是心腎疾病和2型糖尿病的生物標(biāo)志物。可穿戴汗液傳感器通常需要在高度靈敏且穩(wěn)定的環(huán)境中才能準(zhǔn)確量化生物標(biāo)志物。在這項研究中，Umesha Mogera及其團(tuán)隊引入了一種可穿戴等離子體紙基微流控（或叫“紙流控”）系統(tǒng)，可以直接捕獲汗液，以實(shí)時連續(xù)、可靠地量化汗液流失量、流失速度和汗液中的分析物。該科研團(tuán)隊基于集成等離子體的納米傳感器，使用表面增強(qiáng)拉曼光譜來量化在人體生理和病理狀態(tài)下的尿酸濃度。該團(tuán)隊還展示了結(jié)合超薄、柔軟和有彈性的等離子體紙基微流控器件的工作模式，以量化不同濃度的分析物。

可穿戴等離子體紙基微流控器件：（A）利用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行汗液收集、儲存和原位分析的可穿戴等離子體紙基微流控器件的概念圖；（B）突出關(guān)鍵功能層的紙基微流控器件俯視圖和（C）堆疊視圖；（D）裝配有六個等離子體傳感器的紙基微流控器件；（E）尺寸分布均勻的金納米棒的TEM圖像；（F）金納米棒溶液和金納米棒紙的消光光譜；原始色譜紙（G）和金納米棒紙（H、I）的SEM圖像。

可穿戴等離子體紙基微流控器件的設(shè)計

Umesha Mogera及其團(tuán)隊開發(fā)了一種柔軟、超薄的層壓式紙基微流控器件，用于人體手腕處的汗液收集、運(yùn)輸、儲存，以便使用便攜式拉曼光譜儀進(jìn)行實(shí)時、無標(biāo)記的生化分析。該器件具有多個功能層優(yōu)勢，包括雙面粘合劑、激光阻擋紙基微流控層、等離子體傳感器和封裝層。該團(tuán)隊使用了一種蛇形設(shè)計的纖維素色譜紙，作為有效的微流控通道，在沒有外力或入口壓力的情況下，將排出的汗液通過多孔介質(zhì)輸送出去。蛇形設(shè)計促進(jìn)了該器件的靈活性和可拉伸性，以適應(yīng)皮膚的正常活動，而不會產(chǎn)生界面應(yīng)力或引起器件退化。利用安裝在紙基微流控通道不同位置的等離子體傳感器，研究人員使用拉曼光譜量化了不同時間點(diǎn)汗液中分析物的濃度。值得注意的是，在原位拉曼光譜測量期間，黑碳雙面粘合劑可阻止激光損傷皮膚，避免其對皮膚的刺激。該團(tuán)隊在紙基微流控器件中添加了一滴10微升的水，并讓液體在一分鐘內(nèi)通過第一個等離子體傳感器。對于等離子體傳感器，他們使用了吸附有金納米棒（科研團(tuán)隊合成的AUNR）的色譜紙，并通過靜電相互作用和范德華力促使其停留在紙上。

等離子體傳感器的優(yōu)化：（A）在原始紙和金納米棒紙上收集的用1倍磷酸緩沖鹽溶液（PBS）稀釋的100微摩爾尿酸的拉曼光譜；（B）用硼氫化鈉（NaBH4）從金納米棒中去除表面活性劑前后的金納米棒紙的拉曼光譜，和從金納米棒紙上收集的尿酸的相應(yīng)的表面增強(qiáng)拉曼光譜（C）；（D）具有不同厚度的PDMS（聚二甲基硅氧烷）封裝層的100微摩爾尿酸的表面增強(qiáng)拉曼光譜。從同一批次不同區(qū)域的金納米棒紙（E）和不同批次的金納米棒紙（F）收集的100微摩爾尿酸的表面增強(qiáng)拉曼光譜。

紙基微流控器件的流動特性、等離子體優(yōu)化和靈敏度

接下來，該科研團(tuán)隊通過夾在由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的頂部封裝層和底部粘合劑層之間的微流控蛇形紙的流動特性來量化出汗量和出汗速度。對于給定厚度的紙張，液體吸收體積與紙張寬度和液體流動距離成線性比例。科學(xué)家們對微流控紙的液體動力學(xué)進(jìn)行了表征，以實(shí)時量化出汗率，并量化汗液量及出汗速度，這主要取決于該器件貼合于人體的位置。Umesha Mogera及其團(tuán)隊設(shè)計并表征了夾在微流控紙和PDMS之間的金納米棒紙，用于通過表面增強(qiáng)拉曼光譜對尿酸進(jìn)行高靈敏度檢測。該濃度范圍為健康人汗液中的生理和病理濃度，以及痛風(fēng)和高尿酸血癥患者的汗液濃度。他們強(qiáng)調(diào)了尿酸濃度變化后強(qiáng)度的變化，以確認(rèn)該器件量化隨時間變化的尿酸濃度的能力。

等離子體紙基微流控器件的柔韌性、延展性和穩(wěn)定性：（A）組裝在醫(yī)用粘合劑上的帶有紙襯墊的等離子體紙基微流控器件；（B）在靜止?fàn)顟B(tài)下安裝在機(jī)械可拉伸機(jī)上的懸空紙基微流控器件；（C）30%拉伸；（D）60%拉伸；（E）扭曲的紙基微流控器件；（F）破碎的紙基微流控器件；（G）在0%和30%拉伸下收集的尿酸的表面增強(qiáng)拉曼光譜光譜；（H）打開激光，放置在45°C熱板上的紙基微流控器件紅外熱圖像；（I）在21°和45°C條件下收集的100微摩爾尿酸的表面增強(qiáng)拉曼光譜。（注：圖中比例尺：1厘米）

應(yīng)用演示：（A）粘貼在受試者前臂上的紙基微流控器件；（B）變形的紙基微流控器件；（C、D）帶有柔性光纖探頭的便攜式拉曼光譜儀用于光譜收集；光譜歸一化前（E）和歸一化后（F）100微摩爾尿酸的表面增強(qiáng)拉曼光譜隨激光源與等離子體傳感器距離的變化而變化；（G）使用臺式及便攜式光譜儀收集的表面增強(qiáng)拉曼光譜的比較；（H）一個身體健康的受試者佩戴該器件運(yùn)動20分鐘后的照片；（I）從（H）中的傳感器S1區(qū)域收集的汗液的表面增強(qiáng)拉曼光譜光譜。（注：圖中比例尺：1厘米）

概念驗證和前景

柔軟超薄的可拉伸雙面粘合劑和PDMS封裝的紙基微流控器件提供了一個具有穩(wěn)定組裝功能的柔性平臺，可承受機(jī)械變形和溫度變化。為了證明這一概念，研究人員在健康人體上測試了紙基微流控器件收集和分析汗液的性能。得益于其柔軟的機(jī)械構(gòu)造，受試者可以在身體的任何部位輕松佩戴該器件。該團(tuán)隊測定了健康人體28微摩爾汗液的濃度。通過這種方式，Umesha Mogera及其同事建立了一個可穿戴的等離子體紙基微流控平臺，來收集汗液，運(yùn)輸、儲存并進(jìn)行實(shí)時、無標(biāo)記的生化分析。表面增強(qiáng)拉曼光譜提供了汗液代謝物的化學(xué)指紋，但不包含任何生物識別元素。該團(tuán)隊使用該器件測量靈敏度，并量化低至1微摩爾的尿酸濃度。他們展望微型可穿戴光學(xué)讀出系統(tǒng)未來的發(fā)展，將推動等離子體傳感器進(jìn)入疾病診斷和健康監(jiān)測方面的實(shí)際應(yīng)用。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn1736

審核編輯 ：李倩