《Sensors and Actuators B: Chemical》：All-Silk Fibroin Wearable SERS Sensors: Integrating Opal Arrays and Janus Electrospun Structures for Sweat Analysis of Urea and Lactate
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丝绸纤维蛋白微球阵列光刻技术制备三维等离子体超表面，集成Janus电纺结构实现汗液高效单向传输，开发出灵敏度超生理浓度的全天然可穿戴SERS传感器。
胡梦苏|朱凯|赵金金|张宇|陈曦|杨阔|吴磊|宗申飞|王祝远
中国东南大学电子科学与工程学院先进光子学中心，南京 210096
摘要
丝素（SF）是一种从蚕茧中提取的天然生物聚合物材料。由于其优异的生物相容性和易于加工的特性，它非常适合作为可穿戴生物传感器的制造材料。本文提出了一种二次成型微球光刻方法，无需复杂的制备或修饰过程即可批量生产基于丝素的蛋白石阵列（SFOA）结构薄膜。通过将银纳米立方体自组装到SFOA结构上，我们成功构建了一个具有均匀热点的全三维（3D）等离子体超表面，并将其用作检测单元，开发出一种可穿戴的表面增强拉曼光谱（SERS）传感器。同时，我们还开发了一种基于丝素的Janus电纺结构，该结构具有不对称的润湿性，能够促进单向汗液传输并防止回流，从而确保了检测效率和佩戴舒适性。这种完全柔性的可穿戴SERS传感器结合了这两种组件，对尿素和乳酸等汗液代谢物表现出出色的检测灵敏度，其检测限远低于生理浓度水平。本研究提出了一种基于丝素的可扩展制造策略，用于制造完全基于丝素的可穿戴SERS传感器，凸显了丝素材料在柔性电子领域的应用潜力。
引言
现代医疗保健的模式正在迅速从被动医院治疗转向主动的个性化生理监测。在这种背景下，可穿戴生物电子设备已成为健康管理和疾病监测的关键工具[1]、[2]、[3]、[4]。与需要侵入性采样程序的传统生物液体（如血液或组织间液）不同，汗液是一种易于获取且无创的介质，富含代谢物、电解质和蛋白质，可以反映人体的生理状态[5]、[6]、[7]。因此，汗液传感器能够在不损害用户舒适性的前提下获取分子水平的生理信息。我们选择了尿素和乳酸作为汗液中两种具有代表性的生理代谢物。尿素是肾脏功能的关键指标，其浓度升高可能表明存在肾脏损伤。通过非侵入性检测汗液中的尿素水平，可以初步评估个体的肾脏功能及与中枢神经系统相关的疾病，而不会对身体造成伤害[8]。同样，乳酸是运动后大量产生和分泌的代谢物，监测汗液中的乳酸水平可以成为评估肌肉疲劳和个体健康状况及耐力能力的关键指标[9]。
表面增强拉曼光谱（SERS）是一种非破坏性分析技术，具有高灵敏度、抗水干扰能力，并且无需标记即可提供独特的分子指纹信息[10]、[11]。这些特性使得SERS特别适合用于汗液代谢物的多重检测[12]、[13]、[14]。然而，将SERS从实验室环境应用到可穿戴设备中面临着重大的材料和结构挑战。特别是在柔性基底上实现均匀高效的SERS热点分布仍然存在技术难题[15]。
此外，有效的汗液传输是可穿戴传感器设计中的一个主要瓶颈。传统的用于收集汗液的微流控系统通常依赖于合成聚合物，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。尽管这些材料功能齐全，但它们往往透气性较差，长期佩戴可能会引起皮肤刺激。此外，微流控通道的制造通常成本高昂且复杂[16]、[17]。因此，迫切需要利用生物相容性材料的“绿色”传感设备，以确保安全、舒适和可持续的皮肤-传感器接口[18]、[19]。
丝素（SF）是一种从蚕茧中提取的天然生物聚合物，由于其优异的生物相容性、可再生性和易于加工的特性而受到广泛关注[20]、[21]、[22]。通过物理或化学方法，丝素可以制成各种形式，包括凝胶、薄膜、海绵、微球和纤维，使其成为开发可穿戴汗液传感器的理想材料[23]、[24]。尽管具有这些优势，但迄今为止很少有报道仅依赖丝素来实现完全集成的柔性SERS平台，该平台结合了高性能的光学传感和高效的流体管理。
在这项工作中，我们报道了一种完全基于丝素的柔性Janus等离子体传感器，用于分析汗液中的尿素和乳酸。为了解决SERS均匀性问题，我们提出了一种二次成型微球光刻方法。使用预先制备的负模聚二甲基硅氧烷（PDMS）模板，我们制备了基于丝素的蛋白石阵列（SFOA）薄膜，并在其表面自组装银纳米立方体（Ag NCs），构建了一个具有周期性有序三维（3D）结构的等离子体超表面[25]、[26]、[27]。这种结构不仅显著提高了SERS热点的密度和均匀性，还通过Ag NCs在蛋白石阵列表面的弯曲排列形成了“V”形间隙结构，进一步增强了目标分子进入纳米间隙的扩散能力[28]、[29]。此外，与传统的聚苯乙烯（PS）微球阵列模板[30]、[31]相比，这种方法巧妙地解决了模板无法拆卸的问题，避免了PS的SERS背景干扰，提高了传感器的灵敏度和信噪比。由于负模PDMS模板可以重复使用，因此制备柔性SERS基底所需的时间和材料成本大大降低。
为了解决有效汗液收集的问题，我们进一步设计了具有不对称润湿性的基于丝素的Janus电纺结构[32]、[33]。这种结构通过构建疏水/亲水梯度界面并利用毛细力，能够自发且快速地将汗液从与皮肤接触的疏水层转移到与SERS基底接触的亲水层。这一过程有效地减少了表皮界的液体滞留，实现了原位和快速的汗液采样[34]、[35]。通过结合这两种组件，我们首次报道了一种完全基于天然丝素的可穿戴SERS传感器。该系统结合了有序等离子体结构的高灵敏度和信号均匀性，以及基于丝素的Janus电纺结构的优异生物相容性和吸湿性能，为无创代谢监测提供了一个非常有前景的平台。
材料与试剂
所有材料和试剂的详细描述见补充材料。
丝素溶液和PVP修饰银纳米立方体的制备
丝素溶液和PVP修饰银纳米立方体的详细制备步骤见补充材料。
柔性SERS基底和基于丝素的Janus电纺结构的制备
柔性SERS基底和基于丝素的Janus电纺结构的详细制备步骤见补充材料。
可穿戴汗液传感器的设计
图1A展示了SERS基底的制备过程，其中负模PDMS副本是通过
SFOA/Ag NCs基底的表征
图S1A中的透射电子显微镜（TEM）图像显示了Ag NCs分布均匀且形状规则。此外，图S1B中的颗粒大小分布表明Ag NCs的平均粒径约为72纳米。图S1C显示了Ag NCs溶液的消光光谱，在348、400、425、495和581纳米波长处观察到五个明显的局域表面等离子体共振（LSPR）峰。结论
总之，本研究通过二次成型微球光刻方法制备了具有SFOA结构的薄膜，并在此基础上成功构建了周期性有序的3D等离子体超表面。该等离子体超表面薄膜作为检测单元，被集成到可穿戴SERS传感器中，表现出优异的灵敏度、显著的信号再现性和良好的机械稳定性。此外，本研究中制备的基于丝素的Janus电纺结构还
CRediT作者贡献声明
陈曦：软件、数据管理。张宇：可视化、数据分析。赵金金：可视化、软件开发。朱凯：数据分析、形式分析。王祝远：写作——审稿与编辑、项目管理。宗申飞：资源获取、资金筹措。吴磊：资金筹措、形式分析。杨阔：资金筹措、数据管理。胡梦苏：写作——初稿撰写、方法论设计、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
胡梦苏是中国东南大学电子科学与工程学院的博士生，他的研究兴趣包括纳米材料和生物传感。
