改善可穿戴生物传感器性能的金纳米网

在过去的20年里，开发灵活的可穿戴传感器是科学家们的一个研究热点，这种灵活的传感器可用以捕捉重要的生物标志物的踪迹。然而，限制这种传感器使用的一个因素是，普通的设备往往无法同时检测一种以上的痕量分析物。

近日，来自日本和韩国的一个研究团队通过将传感器转化为黄金，实现灵活的生物传感器的性能提升。具体来说，他们设计了一种精细的黄金纳米网，随着佩戴者的移动而延伸，并允许在低浓度和高浓度下检测多种化学物质。

表面增强拉曼散射(SERS)技术的发展推动了可穿戴式多生物标志物传感器的概念。在20世纪70年代，科学家们发现吸附在波纹表面的分子散射出的非弹性光信号会乘以许多个数量级。虽然SERS效应是依赖于表面等离子体激元还是电荷转移仍是一个争论，但生物化学家和生物物理学家正在推进潜在的医学应用。

之前的可穿戴式SERS传感器的设计包括多层纳米线阵列、金纳米粒子柱或嵌入丝蛋白薄膜的银纳米线。但是日本东京大学的化学教授Keisuke Goda和他的同事们认为这种传感器很难制造，或者在探测未知物质的能力上太有限。

研究人员们设计出了一种镀金的聚乙烯醇(PVA)纳米纤维，这种纤维具有透气性和可拉伸性。它的发明者将聚乙烯醇纺成随机排列的纤维网，通过热蒸发在纤维上沉积金，并在金网沉积在基板上后洗去聚合物。

研究人员们对这种纤维的光学特性进行了研究，确定了金网的最佳尺寸为：直径490纳米，沉积金厚度150纳米。研究人员表示，优化纳米结构以获得最佳的SERS性能，而不影响其他理想的质量，如延展性和灵活性，这是研究中最具挑战性的部分。

为了测试他们的可穿戴纳米金网贴片，研究人员在含有不同浓度罗丹明6G(一种荧光染料)的溶液中对设备进行了SERS测试。在785 nm的激光和便携式SERS探测器的帮助下，实验将染料的浓度降至只有10 × 10 – 9/mol。实验表明，他们的纳米传感器的灵敏度与其他类型的可穿戴传感器相当。 研究人员表示，传统的可穿戴传感器通常是根据分析物的先验知识为目标分析物量身定制的，它们的灵敏度可以非常高，但它们牺牲了对未知分析物的多重化学传感和识别能力。

研究人员在50%的应变下，将黄金纳米网贴片进行了1000次机械弯曲和1000次拉伸循环，仍没有检测到SERS敏感性的损伤。研究小组还将网状样本粘在人体皮肤、口罩、电梯控制面板、电脑键盘和其他表面，以检测汗液生物标记物(尿素和抗坏血酸)以及毒品，如甲基苯丙胺和可卡因。他们甚至将贴片放入水中，测试聚乙烯等微粒，以证明这种纳米网可以检测海洋污染。

虽然研究人员的工作涉及到外部激光和SERS探测器，但研究人员认为，将这些组件与金纳米网集成在一起在未来是可能的。该研究团队将继续提高可穿戴金网传感器的灵敏度和特异性。他们希望这种黄金纳米网能够探索更多的应用，如用于疾病控制和预防的传染病传感、尿液药物检测、食品安全的农药残留检测、检查饮用水和海洋的微塑料检测、监测糖尿病的血糖检测以及环境安全的有毒物质检测。

图：表面增强拉曼光谱(SERS)是一种利用激光和专用传感器间接检测化学物质存在的方法。金纳米网为测量提供了一个理想的表面，因为它不干扰被测量的物质。