Bærbar plasmonisk-metasurface-sensor til universel molekylær fingeraftryksdetektion på biogrænseflader

Plasmonisk metamateriale-integreret bærbar SERS-sensorenhed. (A) Skematisk tegning, der viser enhedens funktionsprincip og design, (B), som bestod af to hovedkomponenter (svedekstraktionskomponent og SERS-følende komponent) og blev stylet til at ligne et yin-yang symbol. Den indsatte figur fremhæver den centrale registreringsgrænseflade nær metafilmen. (C) Optisk billede af enheden og (D) forstørret optisk billede af svedekstraktionskomponenten. Et tyndt hydrogellag fyldt med molekyler (acetylcholinchlorid), der stimulerer svedkirtelsekretioner, er monteret på spiralfraktalmesh-elektroden. Bemærk, at for at fremhæve kontrasten til udstillingen, kun en af elektroderne var monteret med hydrogellaget og den plasmoniske metafilm. Billedkredit:Yingli Wang, Zhejiang Universitet. (E og F) Højopløselige transmissionselektronmikroskopi (TEM) billeder af SERS-sensorkomponenten monteret i midten af elektroden, som er den plasmoniske metafilm dannet af et ordnet sølv nanocube (NC) supergitter. Skala barer, 1 cm (C), 5 mm (D), 50 nm (E), og 5 nm (F). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abe4553

Bærbar sensorteknologi er et vigtigt led i personlig medicin, hvor forskere skal spore flere analytter inde i kroppen samtidigt, at få et fuldstændigt billede af menneskers sundhed. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Yingli Wang og et team af forskere inden for biosystemer, ingeniør- og informationsvidenskab ved University of Cambridge og Zhejiang University i Storbritannien og Kina, præsenteret en bærbar plasmonisk-elektronisk sensor med "universel" molekylær genkendelsesevne. Holdet introducerede fleksible plasmoniske metasurfacer med overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) aktivitet som den grundlæggende sansekomponent. Systemet indeholdt en fleksibel svedekstraktionsproces til non-invasiv udtrækning og fingeraftryksanalytter inde i kroppen baseret på deres unikke Raman-spredningsspektre. Som proof of concept, de overvågede med succes varierende sporstofmængder inde i kroppen for at opnå en individuel stofskifteprofil. Sensoren byggede bro over kløften i bærbar sensorteknologi for at give en universel, følsom molekylær sporingsproces for at vurdere menneskers sundhed.

Bærbar sensorteknologi

Wang et al. præsenteret en bærbar plasmonisk elektronisk integreret sanseplatform med en næsten "universel" genkendelsesevne. Bærbar sensing giver et link til fremtiden for personlig medicin, men sådanne sensorer skal overvinde et grundlæggende misforhold mellem en stiv og blød elastisk overflade for at laminere ind i biogrænseflader såsom huden, øje, nerve og tand til problemfrit at vurdere menneskers sundhed. Enhederne giver forskere mulighed for løbende at vurdere vitale tegn, herunder hjertefrekvens og kropstemperatur, sved og fysiske aktiviteter. På trods af succesen med fysiske bærbare sensorer, Ikke-invasive molekylesporingsteknikker, der giver indsigt i menneskekroppens dynamik på molekylært niveau, mangler at blive realiseret. Disse egenskaber er afgørende for personlig præcisionsmedicin. I dette tilfælde, Wang et al. havde til formål at udvikle en ny strategi med universel målspecificitet i stedet for at have ét mål alene til samtidig at spore flere mål. Holdet udviklede en ny platform ved hjælp af en fleksibel overfladeforstærket Raman-spektroskopi (SERS)-aktiv plasmonisk metasurface til at tjene som den vigtigste sensing-komponent og et fleksibelt elektronisk system til automatisk at udtrække sved og analytter fra kroppen.

Karakterisering af enhedens SERS-sensorkomponent. (A) Skematisk illustration, der viser SERS-følingsprincippet for NC-metafilmen. Analytterne i den ekstraherede sved blev trukket til EM-hotspottet i NC-metafilm fra bunden, som kan påvises in situ ved SERS-teknik fra bagsidens metafilm (bagud excitation og samling). (B) FDTD-simulering af den lokale elektriske feltforbedring for EM-hotspottet i NC-metaoverfladen. (C) SERS-spektre af NC-metafilmen nedsænket i probemolekyleopløsningen (CV) med forskellige koncentrationer (gennemsnitligt 20 tilfældigt udvalgte lokationer for hver koncentration med en 1-sekundets optagelsestid og ved hjælp af et 10× objektiv og laserstyrke på 0,33 mW). (D) Raman-intensitetskort (~1621 cm-1) af NC-metafilmen efter behandling med Raman-sonden (CV, 10-5 M). (E) Sammenligning af SERS-svarene (~1621 cm-1) til forskellige CV-løsninger ved brug af frem- og tilbageopsamlingsmetoder. (F) SERS-spektre af de humane svedprøver, der indeholder forskellige lægemidler (0,2 M lidokain, 10-3 M kokain, og 10−5 M methotrexat) og den tomme svedprøve (ved brug af 10× eller 50× objektiv og laser med en effekt på 0,15 til 0,66 mW, med optagelsestider på 6 til 30 s). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abe4553

Virkningsmekanismen og udviklingen af sensoren

Holdet tog fingeraftryk af det unikke SERS-spektrum ved hjælp af den bærbare sensor. Som et bevis på konceptet, de opdagede variationen af lægemiddelkoncentrationer i den menneskelige krop for at opnå en persons stofskifteprofil. Den integrerede bærbare sensor slog bro over det eksisterende hul i personlig diagnose til realtidssporing af vigtige biokemiske forbindelser. Forskerne brugte sanseplatformen til at overvåge fysiologiske tegn eller lægemiddelkoncentrationer i den menneskelige krop for at opnå en persons stofskifteprofil. Brug derefter den integrerede bærbare sensor, de overvågede fysiologiske tegn eller lægemiddelkoncentrationer i et lukket kredsløbs-feedback-lægemiddelleveringssystem.

Den plasmoniske metamateriale-integrerede bærbare sensorenhed indeholdt to hovedkomponenter, herunder et tyndt lag hydrogel fyldt med molekyler for at stimulere svedkirtelsekretioner. Holdet fastgjorde disse konstruktioner til to spiralfraktalmesh-elektroder for at tjene som svedekstraktionskomponenten. Wang et al. brugte iontoforeseprocessen (transdermal lægemiddellevering) til denne ekstraktion; udbredt som en ikke-invasiv svedprøvetagningsmetode i enheder til diagnostiske og terapeutiske formål. De dannede en plasmonisk meta-film ved hjælp af et bestilt sølv nanocube-supergitter til at tjene som sensing-komponenten monteret i den eksperimentelle opsætning. De stærke elektromagnetiske felter lokaliseret i nanokuben gav anledning til SERS-effekten (overfladeforstærket Raman-spredning) for at detektere molekyler, der nærmer sig metafilmoverfladen. De placerede de to komponenter på en tynd polymerfilm med ultralavt modul for at danne en tynd, åndbar og fysisk hård støtte til ikke-irriterende hudadhæsion. Ved hjælp af elektroderne, holdet påførte en mild elektrisk strøm for at levere acetylcholinchlorid i hydrogellaget til sekretoriske svedkirtler for hurtig, lokaliseret svedgenerering.

Enhedens mekaniske egenskaber. (A) Optiske billeder af sensoren under deformation. (B) FEM-belastningsfordelingsanalyse af beskyttelsesringens område af den strækbare elektrode under forskellige forvrængninger, hvilket indikerer, at beskyttelsesringen kan isolere store deformationer til den bløde elastomer, undgår således potentielt ødelæggende plastikbelastninger af SERS-sensorkomponenten. (C) SERS-reaktioner fra sensoren under forskellige deformationer. (D) Karakteristika for SERS-sensoren efter den cykliske stræktest. (E) Modstandsændringer i elektroden under forskellige deformationer. (F) Modstandsændringer i elektroden efter den cykliske stræktest. (G) Fotografier af sensoren monteret på menneskelig hud og (H) under forskellige forhold. Fotokredit:Xiangjiang Liu, Zhejiang Universitet. Skala barer, 1 mm (B) og 1 cm (G og H). Fejlbjælker er defineret som ±SD. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abe4553

SERS-sensorkomponenten og mekaniske egenskaber af den bærbare sensor

Sensoren på den bærbare enhed afhang af SERS-effekten genereret af den bestilte sølv nanocube supergitter metafilm, baseret på hvilket holdet opdagede målet af interesse i udvundet sved. I første omgang, de samlede et enkelt lag af den lukkede pakkede nanocube-array ved væske/luft-grænsefladen og transformerede efterfølgende konstruktionen til en tynd fleksibel polymerunderstøtning. Forskerne verificerede derefter den gennemsnitlige spaltestørrelse mellem nanokuberne ved hjælp af højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (TEM) billeder og udførte numeriske simuleringer af tidsdomæne med finite-difference (FDTD). Metafilmens mekaniske overensstemmelse og hudkontakt muliggjorde high-fidelity-målinger. Holdet udviklede derefter SERS-filmen og overførte den til en hydrogel fyldt med et agonistmiddel knyttet til fraktale mesh-elektroder. De brugte et ultratyndt spiraldesign til at øge tolerancen af det svedfremkaldende system over for mekaniske deformationer og opnåede dette ved at udvikle et "sammenkoblet ø" designtrin for at danne en skør SERS-film med et blødt og elastisk elektronisk system. Holdet bekræftede elektronikkens holdbarhed efter 100 testcyklusser, uden nogen observerbar signalforringelse for perfekt at opfylde de opgaver, der kræves af en bærbar sensor.

In vivo sensing ydeevne af vores sensor. (A) Skematisk illustration, der viser arbejdsprincippet for svedekstraktionssystemet. (B) Variation i hudens fugtindhold efter periodisk svedinduktion (ved at bruge hydrogelen indeholdende 10 % acetylcholinchlorid, iontoforesestrøm på 0,5 mA i 5 min). (C) Inducerede sved-sekretionsegenskaber som reaktion på forskellige iontoforesetider (0 til 10 min). Sekretionsvarigheden repræsenterer den samlede tid af hudkonduktans over baseline (målinger stoppet ved 60 minutter). (D) Realtidsovervågning af nikotin i menneskelig hud ved hjælp af vores integrerede sensor (med svedekstraktion) og (E) kontrolgrupper (uden at tænde for iontoforesestrømmen til svedekstraktion). Spektrene blev opsamlet ved hjælp af lasereffekt på 0,33 mW og et 10× objektiv (optagelsestid, 1 s). (F) Udvikling af den karakteristiske Raman-top af nikotin efter svedekstraktion af testgruppen og kontrolgruppen (uden at tænde for strømmen eller uden at påsætte nikotinplaster). Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abe4553

Biologisk sanseapplikation

Wang et al. Dernæst rekrutterede raske frivillige til in vivo (fysiologiske) målinger for at demonstrere enhedens svedekstraktionsevne. Forskerne brugte nikotin som modellægemiddel og overvågede den faktiske koncentration af lægemidlet i huden i forhold til lægemiddellevering, optagelse og stofskifte pr. individ. Under eksperimenterne brugte de en bærbar SERS-sensor koblet til en kompakt strømforsyning og trådløs kontrolenhed på underarmen af de frivillige. Enheden viste SERS-spektret af nikotin i sveden for at matche spektret af nikotinstandarden. Resultaterne viste, hvordan sensoren trænede nikotinets metaboliske adfærd for at tillade den bærbare sensors evne til at overvåge lægemidlers dynamiske farmakokinetik og deres metaboliske profil. Sensoren, imidlertid, kun effektivt detekterede mål lagret i den lavvandede subepidermis; derfor, forskerne bliver nødt til at forstå, hvordan denne værdi korrelerer med lægemiddelkoncentrationer i blod eller interstitiel væske under yderligere undersøgelser.

In vivo overvågning af nikotinmetaboliseringsprocessen i menneskelig hud. (A) Skematisk illustration af eksperimentet. Et nikotinplaster indeholdende ~10 mg blev fastgjort til de frivilliges underarm i 2 timer og derefter fjernet. Efter at huden var grundigt renset, den resterende nikotin i huden blev ekstraheret og analyseret af vores sensor. (B og C) Udviklingen af de resterende nikotinkoncentrationer blev målt fra de to steder (sensor A direkte på det lappede område; sensor B er fastgjort ca. 2 cm væk). Hver måling blev taget efter 20 minutters svedekstraktion (0,5 mA iontoforesestrøm, 10 % acetylcholinchlorid-fyldt hydrogel), og sensorresponserne i de næste 10 minutter blev kontinuerligt opsamlet. De opnåede gennemsnitlige nikotinniveauer er vist i figuren. Skyggeområderne angiver ±SD af målingerne. (D) Afstandsafhængighed af nikotinkoncentrationerne i den ekstraherede sved efter lapning. Seks sensorer blev placeret langs armen i en afstand på 0 til 12,5 cm fra lappeområdet. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abe4553

Outlook

På denne måde Yingli Wang og kolleger viste en bærbar plasmonisk-elektronisk integreret sensor som en næste generations bærbar enhed. Sammenlignet med eksisterende bærbare elektrokemiske sensorer, denne sensor viste bredere målspecificitet og højere stabilitet. Den integrerede enhed slog bro over det eksisterende hul i personlig diagnose og præcisionsmedicin for at spore vigtige molekyler inde i kroppen i realtid. Holdet foreslog applikationer til at overvåge fysiologiske signaler og lægemiddelkoncentrationer i et lukket-loop-feedback-lægemiddelleveringssystem og forventer, at den bærbare sensor vil inspirere til en række multidisciplinære applikationer.

Sidste artikelForskere skaber rustning til skrøbelig kvanteteknologi

Næste artikelNanotermometri for at forbedre anticancerstrategier