人類對(duì)個(gè)人健康的迫切關(guān)注以及醫(yī)院繁瑣耗時(shí)的體檢程序促使越來越多的人選擇可穿戴傳感器用于健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)一些慢性疾病進(jìn)行預(yù)防、追蹤、監(jiān)測(cè)和管理。近年來，相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)設(shè)計(jì)了一系列人體可穿戴電子設(shè)備用于實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)（如心率、血氧、睡眠質(zhì)量等），這些設(shè)備能夠?qū)⑷梭w部分生理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電/光學(xué)信號(hào)，并通過算法、機(jī)器學(xué)習(xí)等方式以將結(jié)果直接呈現(xiàn)給用戶。但這些指標(biāo)并不能較全面反映人體的健康狀況，因此需要開發(fā)更全面、更便捷、更直觀的檢測(cè)手段和方式。
▲圖1 基于人體不同信號(hào)設(shè)計(jì)的可穿戴傳感器用于健康監(jiān)測(cè)（圖片來自于網(wǎng)絡(luò)）
人的體內(nèi)每天發(fā)生著豐富且復(fù)雜的生物和化學(xué)反應(yīng)，相關(guān)代謝產(chǎn)物攜帶著豐富的信息，可通過血液、汗液等載體排出，其能更好反應(yīng)人體內(nèi)部相關(guān)病理成分的含量，從而能夠提醒個(gè)人對(duì)潛在的疾病進(jìn)行早期的關(guān)注或是給予醫(yī)生臨床醫(yī)學(xué)的輔助診斷（圖2）。然而血液不便于收集，并且采血的過程易帶給與患者疼痛和較大的心理壓力。汗液容易收集且采集過程無痛感，對(duì)其成分檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)傷的病理分析，并在一定程度上反映人體的健康狀況。但由于汗液的組成復(fù)雜，可用于分析和測(cè)試的物質(zhì)含量極低，傳統(tǒng)的傳感器難以對(duì)多種成分進(jìn)行方便和極微量的測(cè)試。因此，這種局限性要求基于新機(jī)制的傳感器設(shè)計(jì)，可以選擇性地識(shí)別低濃度的復(fù)雜分析物。
表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù)在痕量（濃度小于百萬分之一）物質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)能夠以無創(chuàng)的方式對(duì)復(fù)雜分析物進(jìn)行高靈敏度、多通路的化學(xué)傳感分析，而無需事先了解分析物組成。因此，開發(fā)基于 SERS 基底的可穿戴汗液傳感器，并結(jié)合柔性基底和等離子體元件，使傳感器具有輕質(zhì)、便攜、可定制和良好光學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。
▲圖2 汗液中病理相關(guān)成分與血液中呈正相關(guān)
近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所材料中心研究團(tuán)隊(duì)等開發(fā)了一種基于核徑跡技術(shù)的可穿戴柔性多孔汗液傳感器?？蒲腥藛T利用蘭州重離子研究裝置（HIRFL）提供的重離子，輻照聚碳酸酯（PC）薄膜并在其內(nèi)部形成平行排列的柱狀損傷區(qū)域，再利用紫外燈敏化以及化學(xué)蝕刻的方式在薄膜上制造大量納米尺寸孔道，最終得到具有直通孔道的納米多孔 PC膜。隨后，在膜表面原位一步合成星狀金納米顆粒（AuNSs），制備出性能穩(wěn)定、成本低廉以及超薄透氣的柔性可穿戴納米多孔AuNSs/PC基底（圖3）。
▲圖3 柔性多孔SERS基底的制備流程示意圖
如圖3所示，由于納米孔的結(jié)構(gòu)，該基底能夠有效地快速收集分析物。通過借助SERS技術(shù)，在沒有外加標(biāo)記物的情況下，該基底表現(xiàn)出十分優(yōu)異的 SERS 性能，能夠在10−4到10−13mol/L的分析物濃度范圍內(nèi)顯示出優(yōu)異的痕量檢測(cè)和定量分析能力，其 SERS 信號(hào)均勻性良好，信號(hào)偏差低至 5.71%（圖4）。
▲圖4 柔性多孔SERS基底的形貌圖像以及優(yōu)異的痕量檢測(cè)能力
此外，如圖5所示，該基底在空氣中放置 270 天后，其 SERS 信號(hào)依然良好，并且在2000 次彎曲折疊后仍具有較好的拉曼信號(hào)增強(qiáng)效果。此外，開發(fā)了相應(yīng)的基底清潔方法，可以便該基底多次使用，極大地降低了使用成本。該基底還對(duì)低濃度的激素藥物鹽酸克侖特羅、抗生素氯霉素、四環(huán)素、防腐劑苯甲酸鈉等物質(zhì)具有優(yōu)異的檢測(cè)能力。
▲圖5 柔性多孔SERS基底具備良好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性并能重復(fù)使用
得益于核孔膜的納米多孔結(jié)構(gòu)，該基底在未經(jīng)任何修飾的情況下可以作為汗液傳感器用于監(jiān)測(cè)人體汗液中的病理相關(guān)成分，并實(shí)現(xiàn)對(duì)多種汗液成分的有效檢測(cè)（如尿酸、乳酸、尿素、葡萄糖等）。即使在難以收集汗液的情況下，依然能夠?qū)ο鄳?yīng)成分有較好的響應(yīng)（圖6）。該方法對(duì)于長(zhǎng)期臥床或不能進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)的人群開展無創(chuàng)檢測(cè)，以及對(duì)患有慢性疾病的人群實(shí)現(xiàn)居家無創(chuàng)健康監(jiān)測(cè)均具有非常重要的意義。
▲圖6 可穿戴汗液傳感器示意圖及人體真實(shí)汗液測(cè)試
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11775279）的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c00812
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