英文原题：Wearable Hydrogel SERS Chip Utilizing Plasmonic Trimers for Uric Acid Analysis in Sweat
通讯作者：邱腾，东南大学；郝祺，东南大学
作者：Guoqun Li (李国群), Xing Zhao (赵星), Xiao Tang (唐枭), Lei Yao (姚蕾), Weiyi Li (李薇依), Jiawei Wang (王嘉威), Xiaojing Liu (刘晓静), Bing Han (韩冰), Xingce Fan (范兴策), Teng Qiu (邱腾), Qi Hao (郝祺)
背景介绍
尿酸是人体代谢的重要产物，其水平受嘌呤代谢和尿酸排泄的影响。当尿酸水平失衡时，可能导致高尿酸血症，进而引发痛风、心血管疾病及肾脏病变等健康问题。饮食和运动被认为是调节尿酸的有效手段，尽管饮食的影响已广为人知，但运动对尿酸水平的影响一直存在争议：一方面认为运动可能导致血尿酸水平升高，另一方面也有研究表明运动能促进尿酸排泄，具体作用机制仍需进一步探索。
目前，尿酸检测主要依赖于有创、不适的血液检测，难以实现对尿酸水平的连续、动态监测。相比之下，汗液作为一种无创性体液，包含丰富的代谢信息，有望成为一种可替代的选择。不过，汗液检测容易受到出汗量的影响，并且对健康问题的评估也需要对多种标志物的综合分析。表面增强拉曼散射（SERS）作为一种无标记，非侵害的分子鉴别技术，能基于分子指纹光谱提供了对汗液中多种标志物的检测。然而，由于生物小分子固有的低散射截面、等离激元结构“热点”分布不均匀性以及有效区域仅占1%的局限性，生物分子检测的灵敏度受到了极大的限制。
基于此，该研究设计了一种可穿戴SERS芯片，由亲水性水凝胶薄膜嵌入等离激元三聚体纳米阵列制成。其中三聚体纳米阵列具有小于5纳米的间隙，能产生致密的“热点”，同时水凝胶泵浦汗液进入间隙实现对汗液分子的捕获，两者协同作用显著提升了待测分子的灵敏度，展示了汗液尿酸检测的可行性，并进一步探讨了无氧运动中乳酸对尿酸代谢的影响机制，以及连续规律运动对高尿酸患者尿酸的调控效果。
文章亮点
近日，东南大学表面增强光谱研究课题组（https://physics.seu.edu.cn/tqiu/）设计了一种可穿戴SERS芯片，实现了对人体汗液中尿酸的高灵敏检测。该芯片基于亲水性水凝胶薄膜，嵌入功能化的等离激元三聚体纳米阵列制成（如图1所示）。研究团队利用阳极氧化铝（AAO）作为模板，通过角度沉积技术制备了间隙小于5纳米的等离激元三聚体纳米阵列，从而生成高密度“热点”区域，显著增强对分子的灵敏检测。并且该制备方法灵活，可根据需求构筑多种等离激元三聚体阵列，如Ag-Ag-Ag、Au-Au-Au及Au@Al2O3-Au-Au@Al2O3。
图1. 等离激元三聚体-水凝胶SERS复合薄膜的制备和表征。
另外，水凝胶薄膜的亲水特性进一步提升了检测性能。通过水凝胶的亲水作用，水溶液中的分子被驱动穿过三聚体纳米间隙并有效捕获，克服了传统SERS检测中“热点”分布不均及覆盖面较小的局限性。此外，水凝胶的高效吸水性能够迅速转移汗液，防止汗液积累，并显著缩短检测时间。通过调控水凝胶的交联时间，研究团队进一步优化了SERS检测的灵敏度和汗液吸附性能，确保薄膜在吸收汗液时保持结构稳定，保证三聚体的检测性能。此外，该水凝胶薄膜表现出优异的机械性能。在经过500次弯曲循环后，SERS信号依然保持稳定，显示出该芯片的耐用性和可靠性。（图2）
图2. 等离激元三聚体-水凝胶SERS复合薄膜的优化和特性。
更重要的是，水凝胶SERS复合薄膜可以满足多种分子检测需求。研究团队根据分子的亲附性、局域表面等离子体共振（LSPR）耦合及分子共振特性，有针对性地构筑了不同结构的等离激元三聚体-水凝胶复合SERS薄膜，从而实现了对特定目标分子的最佳检测效果，如图3。并且，考虑到生物分子对氧化物的亲附性及荧光效应，研究团队特别设计了Au@Al2O3-Au-Au@Al2O3等离激元三聚体纳米阵列，用于进一步的汗液尿酸检测研究。
图3. 不同结构等离激元三聚体-水凝胶SERS复合薄膜的检测性能。
通过封装水凝胶SERS复合薄膜，研究团队构建了一种可穿戴的汗液检测芯片，可直接贴敷在人体皮肤表面，进行汗液的有效采集和检测。研究表明，与Au-Au-Au阵列相比，Au@Al2O3-Au-Au@Al2O3纳米阵列可以产生更为全面的光谱信息，有助于健康状况的综合分析。在实际应用中，研究团队通过该芯片连续监测了无氧运动期间尿酸水平的动态变化。结果发现，进行无氧运动约30分钟，尿酸排泄逐渐减少，而乳酸则呈现相反趋势，表明乳酸代谢对尿酸排泄具有抑制作用。（图4）
图4. 可穿戴式SERS芯片对汗液尿酸和乳酸水平的动态分析。
此外，通过对高尿酸患者在长期规律运动中的空腹血尿酸和汗液尿酸同步检测，研究发现长期规律运动显著降低了血尿酸水平，并揭示了汗液尿酸水平与血尿酸水平之间的潜在联系。（图5）这不仅为运动对尿酸代谢影响的研究提供了新见解，还展示了SERS芯片在无创、快速分析汗液代谢物方面的广泛应用潜力。
图5. 规律有氧运动期间血尿酸和汗液尿酸的水平变化。
总结/展望
本研究通过构筑由亲水性水凝胶薄膜嵌入三聚体等离激元纳米阵列制成可穿戴的SERS芯片，展示了汗液尿酸检测的有效性。动态的SERS检测揭示了无氧运动中乳酸对尿酸排泄的短暂抑制作用，并展现了长期规律运动对高尿酸患者降低血尿酸水平的有效性。这项研究促进了我们对运动与尿酸代谢关系的理解，同时也建立了可穿戴SERS芯片作为一种有前途的工具，用于无创性和动态监测代谢变化。
相关论文发表在Nano Letters上，东南大学博士研究生李国群为文章的第一作者，博士研究生赵星为共同第一作者，邱腾教授和郝祺副教授为通讯作者。
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Nano Lett. 2024, ASAP
Publication Date: October 11, 2024
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04267
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Teri W. Odom
Northwestern University
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