全柔性微流控SERS可穿戴贴片，实现汗液代谢物的无标记分析
2025-09-17 08:31:17 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该可穿戴汗液传感器能够捕捉各种活动中瞬时的生化变化，实现体表代谢分析。此外，SERS通过促进汗液中无标记的分子识别，具有揭示全面生理信息的巨大潜力。
代谢表型分析对于精准医疗至关重要，它能揭示个体健康特征，为个性化干预方案提供依据。代谢表型超越了遗传倾向，为受行为模式、饮食或肠道微生物活动等外在因素影响的个体多样性提供了重要洞察。代谢物的相互关系通过生理变化或失调引起的代谢途径改变反映了精准的健康状况。尤其，短暂的代谢改变可以作为主动医疗保健的生理指标。这些代谢信号有助于即时识别生理异常，以促进最佳健康结果。例如，餐后代谢率提供了关于个体对膳食摄入反应的关键信息，有助于制定个性化营养计划。此外，通过监测日常活动引起的代谢物波动，可以调整运动或生命周期方案。然而，传统方法通常仅能分析血液或尿液中的静态代谢物，这对动态代谢表型分析提出了挑战。
近年来，已经出现的可穿戴生物传感设备可以监测泪液、唾液或汗液等生物体液中的代谢动力学。其中，汗液具有化学成分丰富、样本采集简单且污染较少的特点，因此能够在主动医疗保健中现场分析代谢物变化。例如，通过分析乳酸动态变化，可以评估运动中的乳酸阈值，从而制定最佳运动方案。餐后支链氨基酸或尿酸的变化分别为代谢综合征或痛风提供了预后线索。皮质醇水平可以反映日常生活中的心理应激反应。另外，汗液可以通过皮肤界面和微流控贴片方便地收集，并与各种可穿戴传感器具有高度兼容性。这类表皮汗液传感器通常采用电化学或比色法。不过，活性传感位点上的抗体或酶等分子识别元件仍然限制了多重、无偏倚生物标志物的检测，阻碍了对个体生理状况的全面了解。
表面增强拉曼光谱（SERS）能够对多种生化物质进行无标记、定量检测。特别是其无标记特性，通过揭示多种代谢物之间的相互关系，促进了生物标志物的发现。等离子体纳米结构可以集成到柔性皮肤贴片中，通过汗液进行代谢物分析。等离子体贴片技术的最新进展结合表皮微流控通道，不仅能够实现瞬态分析，还能够在原位收集并进行生化物质的时序分析。此外，功能化微流控芯片有助于先进的汗液分析，例如通过恒定样本体积进行直接定量，面向高灵敏度检测的培养，以及用于时序汗液分析的连续采样等。然而，在柔性基板上进行传统等离子体纳米制造，仍面临技术挑战。对于皮肤等复杂形貌应用，一致性不良会阻碍其与复杂功能微流控技术的集成。因此，将高性能等离子体纳米结构嵌入完全柔性的皮肤贴合微流控平台仍然存在困难，特别是对于精确、多重的时间分辨汗液分析。
据麦姆斯咨询介绍，韩国科学技术院（KAIST）的研究人员报道了一种全柔性、时间分辨的皮肤贴合微流控SERS贴片（CEP-SERS贴片），可用于无标记的汗液代谢物分析。相关研究成果已经以“All-flexible chronoepifluidic nanoplasmonic patch for label-free metabolite profiling in sweat”为题发表于Nature Communications期刊。
全柔性CEP-SERS贴片
该CEP-SERS贴片由“用于汗液收集、存储和SERS分析的等离子体微流控通道层（PCL）”和“用于皮肤接触的真皮接触层（DCL）”组成。PCL包括柔性等离子体SERS衬底和微流控顺序采样器。SERS衬底在超薄氟碳涂层PDMS膜上具有等离子体纳米岛，由薄银膜低温固态退润湿驱动。超薄氟碳膜直接在顺序采样器上退润湿薄金属膜，形成具有强电磁热点的等离子体结构，用于高灵敏度的SERS分析。
通过微流控顺序采样器进行时序样品收集和分离
此外，顺序采样器通过具有毛细管爆裂阀的微流控通道顺序收集汗液，将汗液在空间上随时间分离。DCL含有医用胶粘剂和汗液收集口，并将PCL与皮肤连接，以稳定收集汗液。
最后，CEP-SERS贴片能够实现机器学习（ML）的无标记定量分析，从而定量分析体育活动中随时间变化的汗液代谢物。其全柔性特征可确保与皮肤紧密贴合的汗液收集和无标记代谢物定量分析。
无标记汗液多种代谢物分析
小结
本文所开发的可穿戴汗液传感器能够捕捉各种活动中瞬时的生化变化，实现体表代谢分析。此外，SERS通过促进汗液中无标记的分子识别，具有揭示全面生理信息的巨大潜力。与其它的研究不同，本文所开发的CEP-SERS贴片集成了纳米等离子体技术和功能化微流控技术，能够进行精确的代谢物时间序列分析。通过在氟碳涂层PDMS上大面积纳米加工银纳米岛，将等离子体纳米结构完全集成到微流控采样器中，实现了稳定连续的汗液收集和SERS分析。随后，使用经过多种背景浓度组合训练的鲁棒机器学习定量模型，对时序采样SERS进行定量分析。
该CEP-SERS贴片成功捕捉了运动和摄入引起的代谢变化，展示了在汗液代谢物方面强大的机器学习多重定量分析能力，进而实现动态生物标志物的发现。这种独特集成连续采样、无标记分析和特征提取的能力，使其能够针对不同生理条件缩小生物标志物候选范围。总结而言，这种可穿戴光学微流控传感器平台，推进了分子汗液传感技术，并为个性化表型分析提供了新范式，以实现主动、数据驱动的下一代医疗保健。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63510-2
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