拉曼光谱仪应用之 | 可穿戴纳米等离子体传感器用于汗液的多路分析

柔性电子技术的进步极大地促进了可穿戴传感器的发展，促进了它们从理论研究到实际实施的过渡。可穿戴生物传感器的重要应用之一是监测生物体液，例如汗液、眼泪、唾液和组织液。目前，可穿戴式汗液传感器主要依靠电化学和比色法方法。然而，电化学传感器对环境因素(如温度和湿度)很敏感。比色法和荧光技术极易受到光线和颜色变化的影响，使其容易出现主观判断错误。

基于局部表面等离子体共振(LSPR)的表面增强拉曼散射(SERS)是一种光谱分析技术，被广泛应用于生物医学领域，从蛋白质、核酸、细胞到体液和组织。本研究设计了一种基于柔性SERS衬底的可穿戴传感器，该传感器结合了纸微流控系统，可以直接捕获和转移运动或运动状态下的汗液。

方案1基于柔性SERS衬底的可穿戴纳米等离子体汗液传感器原理图

用盐酸羟胺还原法制备AgNPs，将纤维素纸制备成直径为5mm的圆形，将一定量的浓缩AgNPs滴入每个纸底，使AgNPs均匀吸附在纸表面，室温下自然干燥得到AgNPs纸底。将双面碳带、预切成型纸微流控通道、AgNPs纸依次组装在医用双面胶带上，最后包覆透明薄医用防水PU膜。SERS光谱采用手持式拉曼光谱仪(RMS2000，上海Oceanhood光电技术有限公司，中国)，激发波长为785 nm。

图1(a)为结合柔性SERS衬底技术和微流控技术的可穿戴式汗液传感器概念图。该装置可以轻巧地安装在人的手臂上。在通过汗腺施加压力后，通过纤维素纸基材的毛细作用和天然核心吸收液体的能力，实现微流体通道上微量汗液的收集和运输，这导致原位收集和转移汗液分析物在纳米等离子体传感器上进行SERS检测。如图1(e)中未经处理裸纸的SEM图像所示，可以看出纤维素纸固有的折叠结构提供了丰富的附着位点。随后，AgNPs大量分布在纤维素纸的三维结构内，导致各种等离子体的窄间隙中出现强烈的热点效应，大大提高了SERS信号的灵敏度，图1(f)和1(g)。

图1 可穿戴纳米等离子体纸汗液分析芯片。(a)可穿戴纳米等离子纸基汗液分析芯片的功能层堆叠示意图。(b)可穿戴纳米等离子纸微流控芯片俯视图示意图。(c) AgNPs的紫外可见吸收光谱，附图为AgNPs的TEM图像。(d)纳米等离子体SERS传感器元素分析图。(e)未经任何修饰的纤维素纸的SEM图像。(f)大量分布在纤维素纸三维结构中的AgNPs的SEM图像。(g)附着在纤维素纸上的AgNPs的SEM图像。

选择孔径为10 μm的滤纸作为后续实验的最佳支撑平台，选择体积为8 μL的AgNPs纳米等离子体传感器进行进一步的实验。此外通过验证了实验传感器令人印象深刻的灵敏度、均匀性、可重复性，以及在较长时间内保持连续稳定性和SERS活性的能力。

图2 纳米等离子体传感器条件优化。(a)纳米等离子体传感器的制备工艺。(b)不同孔径下R6G(10?3 M)在纳米等离子体传感器中的SERS谱。(c)纳米等离子体传感器不同孔径下R6G特征峰的SERS信号强度。(d) R6G在不同衬底上的拉曼光谱。(e)逐渐添加不同体积AgNPs时，纳米等离子体传感器中R6G的SERS光谱。(f)在1260 ~ 1400 cm?1范围内，滴入不同体积的AgNPs后，R6G在纳米等离子体传感器上的SERS光谱放大图。(g)添加不同体积AgNPs后，纳米等离子体传感器中R6G特征峰的SERS信号强度。

图3 纳米等离子体传感器的性能探索。(a)不同浓度(10?3 ~ 10?9 M) R6G在纳米等离子体传感器上的SERS光谱。(b) 100 bar R6G(10?3 M)在纳米等离子体传感器上随机位置的SERS光谱。(c)纳米等离子体传感器在R6G特征峰1353 cm?1处的30个随机点的SERS强度。(d)不同批次纳米等离子体传感器R6G的SERS光谱。(e)同一批次纳米等离子体传感器R6G在不同时间的SERS谱。(f)纳米等离子体SERS传感器随时间的信号稳定性。

采用无标记SERS技术灵敏地检测汗液中的尿酸，如图4(a)所示。图4(b)显示了20-100μM的汗液中尿酸浓度，图4(c)所示。在20±100 μM的浓度范围内观察到高相关性，相关系数(R2)为0.9527。检出限(LOD)为17μM。这些结果证实了所提出的传感器用于汗液中尿酸检测的可行性。

图4 用于检测汗液中尿酸的SERS传感器。(a)检测尿酸的非标记方法示意图。(b)汗液中不同浓度尿酸(20±100 μM)的SERS谱。(c)特征峰631 cm?1处尿酸SERS强度线性拟合曲线。

利用非标记检测方法快速评估汗液中的葡萄糖水平存在局限性。图5(a)中的示意图概述了本研究中采用的检测原理。如图5(b)所示。通过比较SERS强度变化与初始强度的差异，定量测定葡萄糖浓度，得到如图5(c)所示的校准曲线，在1 μM±1 mM的浓度范围内具有良好的线性相关性，相关系数R2为0.9614。

汗液的pH值是评估人体酸碱平衡和衡量皮肤健康的关键指标。这种用于pH值检测的汗液传感器的操作概念如图6(a)所示。人体汗液的pH值通常在4.5到7之间，与我们测量的范围一致。图6(b)±6(e)描述了640-720 cm?1、750-820 cm?1和1660-1740 cm?1区域内与pH值变化相对应的SERS特征峰的变化。图6(c)±6(e)中的插图展示了不同光谱波段的校准曲线，显示了随pH值增量的比例变化。这些发现强调了该设备在汗液pH值分析方面的敏感性和定量能力。

图5 用于检测汗液中葡萄糖的SERS传感器。(a)葡萄糖检测原理示意图。(b)不同浓度(1±1000 μM)葡萄糖在汗液中的SERS谱。(c) 4-MPBA特征峰1068 cm?1处SERS强度线性拟合曲线。(d) SERS传感器对葡萄糖的选择性传感。

图6用于检测汗液pH值的SERS传感器。(a)汗液中pH值检测原理示意图。(b)不同pH值的汗液SERS谱。(c) 640±720 cm?1的放大

SERS光谱，不同pH值下的I668

∕I710

插入。(d) 750-820 cm?1的放大SERS光谱，不同pH值下的I 780∕I 1070插入。(e) 1660-1740 cm?1的放大SERS光谱，不同pH值下的I 1709∕I 1070插入。

响应时间是可穿戴式汗液传感器的关键性能指标，它能够快速检测目标分子浓度变化，并为动态健康监测提供实时生理反馈。本研究系统地评估了传感器的响应时间，结果表明，尿酸和葡萄糖检测5分钟后SERS信号趋于稳定，pH值检测15分钟后趋于稳定，如图7所示。

最后对人体受试者进行柔性可穿戴汗液采集和SERS分析设备的性能评估。如图8(A)所示，将一个柔软、轻薄、基于纸张的微流控可穿戴芯片无缝集成到皮肤表面。贴在人体前臂上的传感器的光学描述如图8(b)和8(c)所示。在图8(d)中，快照描绘了一名志愿者戴着传感器进行剧烈的下拉运动，展示了其在现场检测汗水的适用性。此外，图8(e)强调了简单的便携式设计，消除了对大型拉曼仪器的需求。此外，利用图8(d)和8(e)所示的方法，我们收集并分析了志愿者佩戴传感器30分钟后汗液的SERS光谱。如图8(j)±8(l)所示，尿酸、葡萄糖和pH的浓度分别为22.3 μM、12 μM和5.5。所有这些都在健康个体的正常浓度范围内。这证明了传感器能够以痕量和定量的准确性检测真实汗液中的多种成分。

图7 (a)尿酸试验在响应时间为0、1、2、3、4、5、10、15min时的SERS谱和(b) 631 cm?1处特征峰拉曼强度。(c)葡萄糖测试中响应时间为0、1、2、3、4、5、10、15 min时，1068 cm?1处特征峰的拉曼强度。(e) pH测试中响应时间为0,1,2,3,4,5,10,15 min时，668,780和1704 cm?1处特征峰的拉曼强度。

图8 柔性可穿戴芯片的实用性。(一)贴合人体皮肤表面的柔性可穿戴芯片。(b)柔性可穿戴芯片的防水性能测试。(c)柔性可穿戴芯片的拉伸变形性能测试。(d)志愿者佩戴SERS芯片连续运动时的照片。(e)使用手持式拉曼光谱仪和手提电脑进行现场SERS分析。(f)允许同时进行标记和未标记检测的原理图。(g) SERS法测定的尿酸浓度与标准尿酸浓度的比较。(h) SERS法测得的pH值与商用pH值结果的比较。(i) SERS法测定的葡萄糖浓度与标准葡萄糖浓度的比较。(j)尿酸传感器采集志愿者真实汗液的SERS谱。(k) pH值传感器采集志愿者真实汗液的SERS谱。(l)葡萄糖传感器采集志愿者真实汗液的SERS谱。

综上所述，研究开发了一种基于SERS的可穿戴纸质传感芯片，用于汗液的原位检测。使用该传感器，可以在LOD为17μM(尿酸)和1μM(葡萄糖)，pH值范围为4±7.5的范围内对汗液中的多种成分进行精确检测和定量。使用手持式拉曼光谱仪，可以实现对汗液这些有价值参数的快速、实时识别，为个性化健康监测和医学诊断提供POCT方式。