上海师范大学【AM】：基于触摸的无压力皮质醇传感器

近期，Advanced Materials在线发表了题为Touch-Based Stressless Cortisol Sensing的论文，该论文由上海师范大学化学与材料科学学院杨海峰团队师资博士后汤婉鑫、美国加州大学圣地亚哥分校 (University of California, San Diego, UCSD) 博士生尹鹿和Juliane R. Sempionatto等人合作完成，UCSD的Joseph Wang教授为论文通讯作者。

皮质醇是一种类固醇激素，存在于各种生物液体中，包括唾液、血液、尿液、汗液和细胞间液。由人体在应对心理和生理压力时释放，在机体的应激反应以及调节新陈代谢和免疫应答过程中起着重要作用。传统的皮质醇检测方法虽具备高灵敏度，但检测过程过于冗长、检测装置过于庞大而不具备可穿戴应用价值，同时还需要人体大量运动来收集汗液，这往往会扰乱体内皮质醇水平。美国加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang课题组研发了一种新型无压皮质醇传感平台，可以通过指尖触摸快速而准确的检测人体汗液当中皮质醇含量。

图1 用于快速、无压力皮质醇传感的基于MIP的传感器示意图

由于指尖是人体汗腺分布最密集区域，Wang课题组创新性的使用了选择性分子印迹（MIP）识别层改性的高延展丝网印刷电极作为新型压力检测平台，并以水溶性蔗糖分子为模板制备了一种高孔隙率，高吸汗性的PVA水凝胶用以采集指尖汗液。采用简单快速的电聚合法，制备了内置普鲁士蓝（PB）氧化还原探针的聚吡咯MIP膜，并将皮质醇分子内嵌至膜内。当指尖汗液接触到MIP膜后，聚吡咯发生过氧化反应释放出皮质醇分子，汗液中的皮质醇分子与MIP膜上的表面识别腔相结合，从而堵塞PB电子传输通路，导致PB氧化电流降低，并以此来作为分析信号，反应汗液中皮质醇浓度。同时搭载“岛桥”结构加固的可拉伸油墨传感器，可以在3.5 min内完成整个“触碰-响应-检测”过程，比传统的皮质醇检测方法快十倍以上，这在捕捉急性应激时急剧波动的皮质醇含量方面具备明显优势。

该组研究的皮质醇传感器的性能分别通过监测每天周期内内源性皮质醇水平的变化和皮质醇对急性物理刺激的反应来评估。（1）根据皮质醇水平与昼夜节律相关，早晨皮质醇浓度较高，白天下降，最后在晚上达到较低水平，通过半连续地动态跟踪人体皮质醇水平一天的变化来评估个人的慢性压力水平。该研究中将触摸式汗液皮质醇传感器与具有较好吸附性能的多孔水凝胶结合，在同一天时间内的早上7点和下午5点分别对5名志愿者的指尖汗液中皮质醇水平进行评估，并通过药物刺激排汗样本的免疫分析进行验证。

图2 内源性昼夜周期的皮质醇监测和验证示意图

此外，通过将受试者的手浸入冰水容器3分钟，通过刺激激活下丘脑-垂体-肾上腺轴释放皮质醇（CPT）得到了实验室的直接应激源。因此，为了监测由于CPT诱发的压力而引起的皮质醇水平的波动，参与者被要求将他们的手浸泡在冰水中3分钟，之后使用触摸式皮质醇的皮质醇水平传感器进行测量。图3的数据清楚地说明了检测由外部刺激引起的循环皮质醇短时间达到峰值的能力。常用的IP汗液刺激技术，由于相应的长时间滞后，不能检测到如此快的汗液皮质醇变化，这可以从冷水应激后受刺激的汗液中相应的皮质醇浓度看出。

图3使用可穿戴传感器贴片进行体内皮质醇检测

该工作创新性使用内置PB氧化还原探针的MIP膜快速检测指尖自然汗液中的皮质醇浓度，与传统的检测方法相比，本装置具有简便、免标记、低成本的优势，并可以在医院或者临床实验室之外进行快速准确的人体皮质醇含量检测。本装置着重解决了三个问题：1.极大的缩短了人体皮质醇含量的检测时间；2.本装置消除了传统检测方法的时间延迟缺点，几乎能够实时监测皮质醇浓度变化；3.基于MIP皮质醇传感器制备成柔性可穿戴皮肤贴，用于在运动过程中直接检测汗液当中的皮质醇含量，避免了采样时间，进一步加快检测速度。但是对于实际人体参数检测当中，汗液pH、人体温度以及贴片舒适度等因素都会有所影响，因此接下来的工作可以在材料优化和多参数检测控制方面继续发展。

来源：上海师范大学

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202008465

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