Sensori nanoplasmonici microfluidici flessibili per il riconoscimento aggiornabile e portatile dell'impronta biochimica del sudore

Jun 24, 2023

npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 60 (2022) Citare questo articolo

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I sensori del sudore indossabili con vari sistemi di rilevamento possono fornire diagnostica medica non invasiva e monitoraggio sanitario. Qui, dimostriamo un sensore nanoplasmonico microfluidico indossabile in grado di riconoscere informazioni aggiornabili e portatili sulle impronte digitali di biomarcatori mirati tra cui urea, lattato e pH nel sudore. Una metasuperficie plasmonica sottile e in miniatura con punti caldi omogenei a forma di fungo e un'elevata attività di scattering Raman (SERS) potenziata dalla superficie è progettata e integrata in una piattaforma microfluidica. Rispetto alle piattaforme SERS indossabili convenzionali con il rischio di effetti misti tra sudore nuovo e vecchio, il sistema SERS microfluidico consente la somministrazione del sudore in modo controllabile e ad alta risoluzione temporale, fornendo analisi SERS aggiornabili. Utilizziamo un analizzatore Raman portatile e personalizzato con un'interfaccia uomo-macchina amichevole per il riconoscimento portatile delle firme spettroscopiche dei biomarcatori del sudore. Questo studio integra la microfluidica epidermica con il riconoscimento molecolare SERS portatile, presentando un sistema di rilevamento biofluido controllabile, maneggevole e dinamico per la medicina personalizzata.

L'elettronica intelligente e flessibile ha rivoluzionato la nostra cognizione, metodologia e tecniche nel campo della pelle elettronica, dell'interazione uomo-macchina e dell'assistenza sanitaria personalizzata1,2,3,4,5,6,7,8,9. Più specificamente, i sensori del sudore indossabili che consentono la cognizione delle firme a livello molecolare relative alle informazioni fisiologiche nel sudore disponibile a livello epidermico sono considerati un dispositivo estremamente competitivo10,11,12,13. Sono stati compiuti notevoli progressi in questi sensori di sudore indossabili combinando metodi di riconoscimento molecolare, produttori di dispositivi micro-nano, sistemi hardware/software integrati e varie tecniche analitiche14,15,16. I sensori del sudore indossabili colorimetrici17,18,19 e fluorescenti20,21,22 hanno offerto accesso al rilevamento visivo tramite l'osservazione della profondità di colore/assorbanza/fluorescenza correlata alla reazione cromogenica/luminosa tra indicatore e analiti. I sensori elettrochimici sono ampiamente adottati per l'analisi del sudore trasducendo il contenuto del bersaglio in correnti o segnali potenziali su superfici di elettrodi miniaturizzate e specifiche23,24,25,26,27,28. Le tecniche elettrochimiche sono caratterizzate da elevata sensibilità e selettività, dove gli elettrodi possono anche essere progettati in modo flessibile in diverse forme e dimensioni. Ciascuna strategia di rilevamento ha i suoi pregi e difetti (Tabella supplementare 1). Sono necessarie continue innovazioni verso lo sviluppo di nuove tecniche di lettura del segnale per fornire le nostre opzioni per la progettazione di sensori di sudore indossabili.

SERS è una tecnica analitica comunemente utilizzata in grado di ottenere un elevato miglioramento dei segnali Raman attraverso l'eccitazione e la diffusione localizzate potenziate dal plasmone29,30,31. I dispositivi plasmonici flessibili mediante l'integrazione del SERS con tecniche indossabili hanno attirato un'enorme attenzione per diverse applicazioni biomediche indossabili32,33,34,35,36,37. Al momento sono stati dimostrati solo pochi sensori di sudore SERS indossabili35,38,39. Tuttavia, questi sistemi di sudore non microfluidici si basano su substrati SERS permeabili al sudore (porosi) che consentono al sudore di assorbire e occupare gli hotspot. Tuttavia, il costo è che questi substrati SERS permeabili sono solitamente strutturalmente instabili e vulnerabili alla deformazione epidermica quando entrano in contatto con la pelle. In confronto, la microfluidica può controllare spazialmente la localizzazione dei substrati SERS e i substrati SERS possono essere scelti e configurati in modo flessibile. Inoltre, il trasporto dinamico del sudore consentito dalla microfluidica può ridurre al minimo l'effetto di miscelazione e trascinamento del sudore nuovo e vecchio40, garantendo che l'analisi SERS venga eseguita in modo aggiornabile e ad alta risoluzione temporale. Un altro problema significativo delle piattaforme SERS indossabili per il sudore precedentemente proposte è il sistema di lettura. Lo strumento Raman pesante e convenzionale limita l’analisi SERS indossabile in ambienti di laboratorio standardizzati, il che indebolisce notevolmente la praticità e le circostanze applicabili.