用于汗液分析的可穿戴等離子體紙基微流控器件

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(lái)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(huì)影響傳感器，使其性能不佳。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，Umesha Mogera和美國(guó)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(kāi)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(shí)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(duì)開(kāi)發(fā)的基于無(wú)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(shí)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(cè)靈敏度，該微流控系統(tǒng)還有助于對(duì)有意義的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定量。他們?cè)O(shè)計(jì)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(wú)化學(xué)或物理刺激。

紙基微流控器件的流動(dòng)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(guò)同等時(shí)間的不同流動(dòng)距離；（B）液體流動(dòng)距離與輸入液體體積成一定比例的函數(shù)；（C）經(jīng)過(guò)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(dòng)距離隨時(shí)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(dòng)距離與時(shí)間的關(guān)系。實(shí)線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（點(diǎn)）的擬合曲線。（注：圖中比例尺：5毫米）

檢測(cè)尿酸以進(jìn)行疾病管理

材料科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列生理傳感器，用于連續(xù)測(cè)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(cè)和個(gè)性化醫(yī)療?？纱┐骱挂簜鞲衅骺梢詸z測(cè)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(duì)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(cè)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?？纱┐骱挂簜鞲衅魍ǔＰ枰诟叨褥`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(xiàng)研究中，Umesha Mogera及其團(tuán)隊(duì)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(shí)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(duì)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(lái)量化在人體生理和病理狀態(tài)下的尿酸濃度。該團(tuán)隊(duì)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(chǔ)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(gè)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(jì)

Umesha Mogera及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(chǔ)存，以便使用便攜式拉曼光譜儀進(jìn)行實(shí)時(shí)、無(wú)標(biāo)記的生化分析。該器件具有多個(gè)功能層優(yōu)勢(shì)，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(duì)使用了一種蛇形設(shè)計(jì)的纖維素色譜紙，作為有效的微流控通道，在沒(méi)有外力或入口壓力的情況下，將排出的汗液通過(guò)多孔介質(zhì)輸送出去。蛇形設(shè)計(jì)促進(jìn)了該器件的靈活性和可拉伸性，以適應(yīng)皮膚的正?；顒?dòng)，而不會(huì)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(shí)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(cè)量期間，黑碳雙面粘合劑可阻止激光損傷皮膚，避免其對(duì)皮膚的刺激。該團(tuán)隊(duì)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(guò)第一個(gè)等離子體傳感器。對(duì)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(duì)合成的AUNR）的色譜紙，并通過(guò)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(dòng)特性、等離子體優(yōu)化和靈敏度

接下來(lái)，該科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(dòng)特性來(lái)量化出汗量和出汗速度。對(duì)于給定厚度的紙張，液體吸收體積與紙張寬度和液體流動(dòng)距離成線性比例?？茖W(xué)家們對(duì)微流控紙的液體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了表征，以實(shí)時(shí)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(duì)設(shè)計(jì)并表征了夾在微流控紙和PDMS之間的金納米棒紙，用于通過(guò)表面增強(qiáng)拉曼光譜對(duì)尿酸進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)。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(shí)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(kāi)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(tái)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(gè)身體健康的受試者佩戴該器件運(yùn)動(dòng)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(yàn)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(gè)具有穩(wěn)定組裝功能的柔性平臺(tái)，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(cè)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(duì)測(cè)定了健康人體28微摩爾汗液的濃度。通過(guò)這種方式，Umesha Mogera及其同事建立了一個(gè)可穿戴的等離子體紙基微流控平臺(tái)，來(lái)收集汗液，運(yùn)輸、儲(chǔ)存并進(jìn)行實(shí)時(shí)、無(wú)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(shí)別元素。該團(tuán)隊(duì)使用該器件測(cè)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(lái)的發(fā)展，將推動(dòng)等離子體傳感器進(jìn)入疾病診斷和健康監(jiān)測(cè)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