人类对个人健康的迫切关注以及医院繁琐耗时的体检程序促使越来越多的人选择可穿戴传感器用于健康实时监测，特别是对一些慢性疾病进行预防、追踪、监测和管理。近年来，相关研究团队开发设计了一系列人体可穿戴电子设备用于实时健康监测（如心率、血氧、睡眠质量等），这些设备能够将人体部分生理信号转换为电/光学信号，并通过算法、机器学习等方式以将结果直接呈现给用户。但这些指标并不能较全面反映人体的健康状况，因此需要开发更全面、更便捷、更直观的检测手段和方式。
▲图1 基于人体不同信号设计的可穿戴传感器用于健康监测（图片来自于网络）
人的体内每天发生着丰富且复杂的生物和化学反应，相关代谢产物携带着丰富的信息，可通过血液、汗液等载体排出，其能更好反应人体内部相关病理成分的含量，从而能够提醒个人对潜在的疾病进行早期的关注或是给予医生临床医学的辅助诊断（图2）。然而血液不便于收集，并且采血的过程易带给与患者疼痛和较大的心理压力。汗液容易收集且采集过程无痛感，对其成分检测可实现无创伤的病理分析，并在一定程度上反映人体的健康状况。但由于汗液的组成复杂，可用于分析和测试的物质含量极低，传统的传感器难以对多种成分进行方便和极微量的测试。因此，这种局限性要求基于新机制的传感器设计，可以选择性地识别低浓度的复杂分析物。
表面增强拉曼散射（SERS）技术在痕量（浓度小于百万分之一）物质检测领域具有很大优势，该技术能够以无创的方式对复杂分析物进行高灵敏度、多通路的化学传感分析，而无需事先了解分析物组成。因此，开发基于 SERS 基底的可穿戴汗液传感器，并结合柔性基底和等离子体元件，使传感器具有轻质、便携、可定制和良好光学性能等优点，已经成为该领域研究热点。
▲图2 汗液中病理相关成分与血液中呈正相关
近日，中国科学院近代物理研究所材料中心研究团队等开发了一种基于核径迹技术的可穿戴柔性多孔汗液传感器。科研人员利用兰州重离子研究装置（HIRFL）提供的重离子，辐照聚碳酸酯（PC）薄膜并在其内部形成平行排列的柱状损伤区域，再利用紫外灯敏化以及化学蚀刻的方式在薄膜上制造大量纳米尺寸孔道，最终得到具有直通孔道的纳米多孔 PC膜。随后，在膜表面原位一步合成星状金纳米颗粒（AuNSs），制备出性能稳定、成本低廉以及超薄透气的柔性可穿戴纳米多孔AuNSs/PC基底（图3）。
▲图3 柔性多孔SERS基底的制备流程示意图
如图3所示，由于纳米孔的结构，该基底能够有效地快速收集分析物。通过借助SERS技术，在没有外加标记物的情况下，该基底表现出十分优异的 SERS 性能，能够在10−4到10−13mol/L的分析物浓度范围内显示出优异的痕量检测和定量分析能力，其 SERS 信号均匀性良好，信号偏差低至 5.71%（图4）。
▲图4 柔性多孔SERS基底的形貌图像以及优异的痕量检测能力
此外，如图5所示，该基底在空气中放置 270 天后，其 SERS 信号依然良好，并且在2000 次弯曲折叠后仍具有较好的拉曼信号增强效果。此外，开发了相应的基底清洁方法，可以便该基底多次使用，极大地降低了使用成本。该基底还对低浓度的激素药物盐酸克仑特罗、抗生素氯霉素、四环素、防腐剂苯甲酸钠等物质具有优异的检测能力。
▲图5 柔性多孔SERS基底具备良好的化学和机械稳定性并能重复使用
得益于核孔膜的纳米多孔结构，该基底在未经任何修饰的情况下可以作为汗液传感器用于监测人体汗液中的病理相关成分，并实现对多种汗液成分的有效检测（如尿酸、乳酸、尿素、葡萄糖等）。即使在难以收集汗液的情况下，依然能够对相应成分有较好的响应（图6）。该方法对于长期卧床或不能进行剧烈运动的人群开展无创检测，以及对患有慢性疾病的人群实现居家无创健康监测均具有非常重要的意义。
▲图6 可穿戴汗液传感器示意图及人体真实汗液测试
该研究工作得到了国家自然科学基金资助项目（11775279）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c00812
参考文献：
1. SEMPIONATTO J R, LIN M, YIN L, et al. An epidermal patch for the simultaneous monitoring of haemodynamic and metabolic biomarkers [J]. Nat Biomed Eng, 2021, 5(7): 737-48.
2. YANG Y, SONG Y, BO X, et al. A laser-engraved wearable sensor for sensitive detection of uric acid and tyrosine in sweat [J]. Nat Biotechnol, 2020, 38(2): 217-24.
3.QI X, WANG X, DONG Y, et al. Fast synthesis of gold nanostar SERS substrates based on ion-track etched membrane by one-step redox reaction [J]. Spectrochim Acta A Mol Biomol, 2022, 272.
4. GUI X, XIE J, WANG W, et al. Wearable and Flexible Nanoporous Surface-Enhanced Raman Scattering Substrates for Sweat Enrichment and Analysis [J]. ACS Applied Nano Materials, 2023, 6(13): 11049-60.
