SERS, eller ytförstärkt Raman-spektroskopi, är en metod för att upptäcka närvaron av en kemikalie indirekt genom att använda laserljus och en specialiserad sensor. Guldnätet ger en idealisk yta för att göra mätningar eftersom det inte stör ämnet som mäts. Kredit:Goda et al.
Forskare skapade en speciell ultratunn sensor, spunnen av guld, som kan fästas direkt på huden utan irritation eller obehag. Sensorn kan mäta olika biomarkörer eller ämnen för att utföra kemisk analys på kroppen. Det fungerar med en teknik som kallas Raman-spektroskopi, där laserljus riktat mot sensorn ändras något beroende på vilka kemikalier som finns på huden vid den punkten. Sensorn kan finjusteras för att vara extremt känslig och är robust nog för praktisk användning.
Bärbar teknologi är inget nytt. Kanske har du eller någon du känner en smartklocka. Många av dessa kan övervaka vissa hälsofrågor som hjärtfrekvens, men för närvarande kan de inte mäta kemiska signaturer som kan vara användbara för medicinsk diagnos. Smartklockor eller mer specialiserade medicinska monitorer är också relativt skrymmande och ofta ganska dyra. På grund av sådana brister sökte ett team bestående av forskare från Institutionen för kemi vid University of Tokyo ett nytt sätt att känna av olika hälsotillstånd och miljöfrågor på ett icke-invasivt och kostnadseffektivt sätt.
"För några år sedan stötte jag på en fascinerande metod för att producera robusta töjbara elektroniska komponenter från en annan forskargrupp vid University of Tokyo", säger Limei Liu, gästforskare vid tidpunkten för studien och för närvarande föreläsare vid Yangzhou University i Kina. "Dessa enheter är spunnna av ultrafina trådar belagda med guld, så de kan fästas på huden utan problem eftersom guld inte reagerar med eller irriterar huden på något sätt. Som sensorer var de dock begränsade till att upptäcka rörelse, och vi letade efter för något som kunde känna av kemiska signaturer, biomarkörer och droger. Så vi byggde på denna idé och skapade en icke-invasiv sensor som överträffade våra förväntningar och inspirerade oss att utforska sätt att förbättra dess funktionalitet ytterligare."
Guldnanomesh i olika förstoringar. De individuella fibrerna är ungefär en femhundradels tjocklek på människohår. Kredit:Goda et al.
Huvudkomponenten i sensorn är det fina guldnätet, eftersom guld är oreaktivt, vilket innebär att när det kommer i kontakt med ett ämne som teamet vill mäta – till exempel en potentiell sjukdomsbiomarkör som finns i svett – förändrar det inte ämnet kemiskt. . Men i stället, eftersom guldnätet är så fint, kan det ge en förvånansvärt stor yta för den biomarkören att binda till, och det är här de andra komponenterna i sensorn kommer in.
När en lågeffektlaser riktas mot guldnätet absorberas en del av laserljuset och en del reflekteras. Av det reflekterade ljuset har det mesta samma energi som det inkommande ljuset. En del inkommande ljus förlorar dock energi till biomarkören eller annat mätbart ämne, och skillnaden i energi mellan reflekterat och infallande ljus är unik för ämnet i fråga. En sensor som kallas en spektrometer kan använda detta unika energifingeravtryck för att identifiera ämnet. Denna metod för kemisk identifiering är känd som Raman-spektroskopi.
"För närvarande måste våra sensorer vara finjusterade för att detektera specifika ämnen, och vi vill driva både känsligheten och specificiteten ytterligare i framtiden", säger biträdande professor Tinghui Xiao. "Med detta tror vi att tillämpningar som glukosövervakning, idealisk för personer med diabetes, eller till och med virusdetektering, kan vara möjliga."
"Det finns också potential för sensorn att arbeta med andra metoder för kemisk analys förutom Raman-spektroskopi, såsom elektrokemisk analys, men alla dessa idéer kräver mycket mer undersökning", säger professor Keisuke Goda. "I alla fall hoppas jag att den här forskningen kan leda till en ny generation av billiga biosensorer som kan revolutionera hälsoövervakningen och minska den ekonomiska bördan av hälso- och sjukvård."
Även om den är mycket tunn är nanomesh-sensorn i guld mycket hållbar och kan sträckas och deformeras utan att gå sönder. Därför kan den fästas på många olika typer av ytor - inte bara mänsklig hud - för olika avkänningsändamål. Kredit:Goda et al.
