可穿戴智能电子技术的快速发展，为无创医疗诊断与个性化健康监测开辟了全新路径。其中，汗液传感器因能实时获取表皮生物流体中的分子级生理信息，成为极具竞争力的医疗检测设备。传统汗液检测多依赖比色法、荧光法与电化学技术，虽各有优势，但普遍存在分子识别能力有限、时空分辨率不足、易受新旧汗液混合干扰等问题。表面增强拉曼散射（SERS）技术凭借超高的分子指纹识别能力，成为生物检测领域的研究热点，而将其与微流控技术结合，可有效解决传统可穿戴 SERS 传感器的基底稳定性差、采样不可控等痛点。本文将深入解读基于 PDMS 微流控与纳米等离子体的可穿戴汗液传感器，分析其核心技术架构、性能优势及行业应用前景，同时探讨微纳加工、芯片表面修饰等关键技术在其中的应用。
图1基于可穿戴SERS微流控平台的表皮汗液传感器的设计。a显示集成设备每一层的堆叠视图。b基于微流控等离子器件的一体化生物流体流动、储存和SERS分析示意图。c附着在皮肤上的制备好的微流控SERS传感器的实际图像。d显示便携式拉曼分析仪内部功能模块的系统级框图。
1. 基于 PDMS 微流控与纳米等离子体的传感器核心架构
该可穿戴微流控 SERS 传感器采用四层堆叠式结构设计，从下至上依次为医用双面胶表皮粘附层、PDMS 微流控层、超薄 SERS 芯片层与 Kapton 胶带封装层，整体结构简洁，无需复杂电路与电池，具备优异的佩戴舒适性。
PDMS 微流控层是实现汗液可控采样与传输的核心，其制备依托成熟的 PDMS 芯片加工平台，采用软光刻技术完成。以 SU8 模具为模板，将 PDMS 预聚物与固化剂按 10:1 比例混合浇筑，经固化后使用 PDMS 打孔器加工出 6 个直径 1.5mm 的进样口与 1 个出样口，微通道尺寸精准控制为 350μm×200μm，中央微腔室直径 4mm，用于固定 SERS 芯片。制备完成的 PDMS 芯片经等离子体处理实现表面亲水修饰，提升汗液的毛细流动效率，确保皮下汗腺分泌的汗液能在压力与毛细作用下，沿微通道有序流入微腔室。这种 PDMS 芯片制备方法兼具高精度与低成本优势，可实现微流控通道与腔室的定制化设计，广泛应用于各类生物微流控芯片的加工。
SERS 芯片层采用银纳米蘑菇阵列等离子体超表面，其制备依托先进的微纳加工平台。首先通过模板辅助反应离子刻蚀技术，在 100μm 厚的超薄硅片上制备硅纳米柱阵列，再通过离子溅射镀膜工艺沉积银层，形成直径 120-130nm、高度 180-200nm 的蘑菇状纳米结构，相邻纳米结构间隙小于 10nm，产生高密度的电磁热点。最后将 SERS 芯片切割为 3.9mm 直径的圆形薄片，嵌入 PDMS 微腔室中，通过 Kapton 胶带封装完成传感器集成。Kapton 胶带兼具良好的透光性与热稳定性，既能保证激光穿透实现 SERS 检测，又能避免激光加热导致的微流控封装失效。
图2作为SERS基底的Ag纳米蘑菇阵列的表征。a模板辅助离子蚀刻技术制备的Si纳米柱状阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像。b在Si纳米柱上沉积Ag层后Ag纳米蘑菇阵列的SEM和c原子力显微镜（AFM）图像。d有限元分析和Ag纳米蘑菇阵列之间等离子体纳米间隙上局部电场分布的放大图。f在裸Ag层和Si纳米柱状阵列上沉积的Ag层之间的拉曼光谱和g相应的AEFs的比较。h从Ag纳米蘑菇阵列的30个随机位点收集的R6G拉曼强度的初始可重复性评估。i Ag纳米蘑菇阵列的拉曼强度映射。比例尺：5μm。在j弯曲和k压制测量下制备的柔性微流体SERS贴片的照片，以及l拉曼信号的相应强度变化。R6G浓度分别为\(10^{-8} M\)h、i和l，所有强度值均来自~1364 cm\(~ 1364 ~cm^{-1}\)的特征带。误差条代表三个不同样品的标准偏差。
2. 高性能 SERS 基底的微纳加工与多指标检测能力
银纳米蘑菇阵列的 SERS 性能通过多种表征手段验证。有限元分析结果显示，785nm 激光照射下，纳米间隙处的最大电场强度可达 10V/m，具备极强的电磁增强效应。实验测得，该基底对罗丹明 6G（R6G）的分析增强因子高达 1.488×10^6，可检测低至 10^-8M 的 R6G 分子。同时，基底的信号重复性优异，随机选取 30 个检测点的 R6G 拉曼强度相对标准偏差（RSD）仅为 5.9%，拉曼映射结果显示点间信号差异小于 ±10%，满足定量检测需求。
得益于优异的 SERS 性能，该传感器可实现汗液中尿素、乳酸与 pH 的同时检测。其中，尿素与乳酸采用无标记检测方式，分别以 1005cm^-1 与 853cm^-1 的特征拉曼峰作为定量依据，线性检测范围分别为 0.1-1000mM 与 0.01-100mM，相关系数分别达 0.999 与 0.950。pH 检测则采用标记法，通过表面修饰工艺将 pH 敏感探针 4 – 巯基苯甲酸（4-MBA）共价结合在银纳米蘑菇阵列表面，利用 1400-1425cm^-1 处羧酸盐伸缩振动峰的蓝移现象实现 pH 定量，检测范围为 4-7，相关系数 0.947。这种表面修饰技术是实现生物分子特异性检测的关键，类似的氨基化、羧基化、PEG 修饰等工艺，也广泛应用于细胞培养芯片、类器官芯片中，用于调控芯片表面的生物相容性与分子识别能力。
传感器的两个独立微腔室分别配置无标记与标记检测基底，可同时完成多指标分析，且各指标间无明显交叉干扰。这种多通道微流控设计，不仅提升了检测效率，也为后续拓展更多生物标志物检测提供了可能。
图3 标准溶液中目标分析物的SERS传感检测。a 无标记模式下b 尿素和c 乳酸的示意图及表面增强拉曼散射（SERS）光谱。d pH表面增强拉曼散射（SERS）传感机制：4-巯基苯甲酸（4-MBA）探针分子标记在银（Ag）表面，在酸性条件下发生质子化，在碱性条件下发生去质子化。e 不同pH条件下的表面增强拉曼散射（SERS）光谱，以及f 对\(1078 ~cm^{-1}\)处峰强进行归一化后，\(1400-1425 ~cm^{-1}\)处拉曼峰的放大视图。g 基于单张微流控芯片对汗液目标物进行同时多通道表面增强拉曼散射（SERS）分析的示意图。h 尿素与乳酸同时表面增强拉曼散射（SERS）检测的兼容性研究。i pH表面增强拉曼散射（SERS）传感的干扰研究。
3. 动态微流控采样的技术优势与在体验证
与传统非微流控可穿戴 SERS 传感器相比，该微流控系统具备两大核心优势。首先，采用非渗透性 SERS 基底，避免了渗透性基底因表皮变形产生的结构缺陷，同时硅片基底可完全阻挡激光，消除了激光照射皮肤的安全隐患。其次，实现了高时空分辨率的动态采样，有效解决了新旧汗液混合的问题。
在体实验测得，传感器的汗液总流速约为 0.84μL/min，通过仿真优化的 6 进样口设计，使微腔室的汗液刷新时间约为 8 分钟。连续循环注入不同浓度的乳酸、尿素与 pH 溶液，传感器的拉曼信号可同步响应，且无明显强度衰减，展现出优异的可逆性与连续检测能力。此外，该传感器仅需 0.5μL 样品即可完成 pH 检测，适用于微量生物流体的分析。
在人体运动实验中，传感器贴附于志愿者背部，可实时监测运动过程中汗液尿素、乳酸与 pH 的变化。结果显示，运动初期乳酸浓度低于 1mM，后期因无氧代谢升至 9mM；尿素浓度维持在 10mM 左右；汗液 pH 为 5.5-7.0，呈弱酸性，检测结果与商用试剂盒、pH 计的测量值高度一致。在饮食干预实验中，志愿者摄入高蛋白饮食后，汗液尿素浓度显著升高，且与血液尿素浓度变化趋势一致，验证了该传感器在无创肾功能监测中的潜在应用价值。这种无创、实时的生理信息获取方式，也为器官芯片、3D 细胞培养芯片中的药物代谢研究提供了新的技术手段。
图4 微流控汗液SERS传感器的动态汗液采样与分析性能。a、b 示意图对比非微流控+可渗透SERS基底与微流控+不可渗透SERS基底系统的差异。c 基于微流控贴片的完整汗液采样过程的实拍图像。d 不同时间点微腔室内溶质浓度分布的有限元分析。e 乳酸12次SERS测量循环的示意图、f 拉曼光谱及g 强度分析（\(853 ~cm^{-1}\)），结果表明该传感器适用于动态汗液分析的可逆性。h 不同溶液体积下pH传感的示意图、i 拉曼光谱及j 标准化\(I_{cbx} / I_{1078}\)，体现微流控SERS平台的微量分析能力。误差棒代表三个不同样本的标准差。
4. 行业应用前景与技术发展方向
该柔性微流控纳米等离子体传感器将表皮微流控技术与便携式 SERS 分子识别相结合，实现了汗液生化指纹的可刷新、便携式检测，在个性化医疗、运动健康管理、临床床旁检测等领域具有广阔的应用前景。运动员可通过该传感器实时监测运动过程中的代谢状态，科学调整训练强度；慢性病患者可在家中完成无创生理指标监测，减少医院就诊次数；临床医生可通过连续的汗液检测数据，实现疾病的早期筛查与预后评估。
目前，该技术仍面临一些挑战，如银纳米基底易氧化、多指标无标记检测易出现峰重叠、便携式拉曼分析仪的检测范围有限等。未来，随着 PDMS 芯片加工技术的不断成熟，微流控芯片定制服务将更加普及，可根据不同检测需求设计专用的微流控结构。同时，微纳加工技术的进步将推动更高稳定性、更高均匀性的 SERS 基底研发，如采用金 – 银复合纳米结构、封装保护层等方式解决氧化问题。数字微流控、3D 打印微流控芯片等新兴技术的融入，将进一步提升传感器的集成度与智能化水平。此外，微流控芯片代工产业的发展也将推动可穿戴 SERS 传感器的规模化生产，降低成本，加速其商业化落地，为无创医疗检测技术的发展注入新的动力。
图5 微流控汗液SERS芯片用于个性化医疗的体表评估。a 志愿者在持续运动过程中佩戴微流控SERS贴片的照片，插图为便携式拉曼分析仪。b 便携式拉曼分析仪的用户界面与c 系统级光路图。d 汗液尿素、乳酸的离散拉曼光谱，e 汗液pH的离散拉曼光谱，以及f 基于上述校准曲线计算得到的对应物质含量。彩色数据为SERS检测结果，黑色数据为商业化对照方法（尿素检测试剂盒、乳酸检测试剂盒、pH计）的检测结果。g 尿素在人体内的代谢行为示意图。通过对比汗液尿素与血清尿素，评估微流控SERS装置在饮食干预实验中的效果：h 摄入蛋白质时的对比结果，i 不摄入蛋白质时的对比结果（\(n=6\)，点代表原始数据；从下到上的五条线分别代表最小值、下四分位数、中位数、上四分位数和最大值）。
参考文献：https://doi.org/10.1038/s41528-022-00192-6
ZH_CN 
EN