Sci Adv：Stressomic可穿戴微流控生物传感器，实现汗液中多种应激激素的实时动态监测

      管理压力对身心健康至关重要，然而当前的方法依赖于主观的自我评估或间接的生理测量，往往缺乏准确性。现有的可穿戴传感器主要针对单一应激激素——皮质醇，采用单点测量方式，无法捕捉实时变化，也难以区分急性应激与慢性应激。为解决这一问题，我们推出Stressomic——一种可穿戴的多重微流控生物传感器，用于非侵入性监测汗液中的皮质醇、肾上腺素和去甲肾上腺素。Stressomic将离子导入驱动的汗液提取与爆破阀调控的微流控通道相集成，实现了连续采样与分析。金纳米树枝修饰的激光诱导石墨烯电极达到了皮摩尔级的灵敏度，能够同时检测多种应激激素。电化学测定和人体研究表明，Stressomic能够可靠地追踪激素在生理、心理和药物应激源作用下的波动。不同的时间变化模式揭示了下丘脑-垂体-肾上腺轴与交感神经系统之间的动态相互作用。该平台实现了连续、多重的应激谱分析，为早期识别适应不良反应、个性化压力管理以及更深入地理解应激生物学提供了机会。

图1. Stressomic——一种多重可穿戴应激激素监测系统概述。(A) 身体应激反应通路的示意图。下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴通过促肾上腺皮质激素释放激素（CRH）和促肾上腺皮质激素（ACTH）触发皮质醇（Cort）的释放；而交感神经系统（SNS）则刺激肾上腺髓质向血液中释放肾上腺素（EPI）和去甲肾上腺素（NE），并在神经末梢分泌NE以调节局部组织反应。(B) 在物理应激（高强度间歇训练，HIIT）、情绪应激（国际情感图片系统，IAPS）以及应激调节（补充剂摄入）条件下，Cort、EPI和NE水平的代表性变化曲线。这些数据展示的是示例性趋势，而非连续的激素动态变化。(C) Stressomic的设计构成，包括三个激素生物传感器、一个用于自动顺序汗液采样、重构和试剂输送的微流控模块、一个促进汗液采样和累积的收集层，以及一对负载卡巴胆碱的水凝胶，用于按需诱导出汗。(D) 微流控系统用于应激激素检测的工作流程：(i) 汗液填充试剂室和检测室，将分析物与氧化还原标记的竞争物在缓冲液中重构；(ii) 分析物孵育并在检测室的电极处竞争结合；(iii) 在自动刷新循环中冲洗未结合分子，以保持传感器准确性；(iv) 电化学检测通过测量氧化还原信号来定量激素，实现灵敏的实时监测。(E)至(G) Stressomic的实物照片，包括微流控传感器贴片(E)、完全集成的无线系统(F)，以及佩戴在上臂和前臂的系统(G)。比例尺：(E)和(F)为1 cm，(G)为5 cm。

图2. 多重应激激素免疫传感器的电化学表征。(A) 传感器设计及汗液中皮质醇(Cort)、肾上腺素(EPI)和去甲肾上腺素(NE)电化学检测的示意图。(B) 沉积在激光诱导石墨烯(LEG)电极上的金纳米树枝(AuNDs)的扫描电镜图像。比例尺：1 μm。(C) 循环伏安(CV)扫描对比了丝网印刷碳电极(SPCE)、Au电极、LEG电极和AuND-LEG电极在含有5 mM [Fe(CN)₆]³⁻和0.1 M KCl溶液中的电化学响应。(D)至(I) 皮质醇(D、E)、肾上腺素(F、G)和去甲肾上腺素(H、I)传感器在1×磷酸盐缓冲液(PBS，pH 7.4)中的方波伏安(SWV)曲线及对应的校准曲线。误差线代表三个传感器的标准偏差(SD)。(J) 使用酶联免疫吸附测定(ELISA)方法在人体汗液样本(n = 21个生物学重复)中对应激免疫传感器进行验证。(K) 血清与汗液中应激激素水平的相关性。汗液应激激素浓度采用本研究开发的免疫传感器测定，血清激素水平采用ELISA测定(n = 74个生物学重复)。

图3. 多重微流控应激激素采样系统的设计与表征。(A) 微流控系统示意图，展示汗液积累室、试剂与检测储液池以及阀门机制。止流阀(i)和阶梯式触发阀(ii)通过毛细管爆破压力差调控流体流动，并通过改变通道尺寸与几何形状精确控制试剂释放的时序。(B) 电化学传感平台布局，包含阴极、阳极、计时器、集成式pH传感器、离子强度(IMP)传感器和温度(Temp)传感器。插图为第二检测储液池中的计时器结构以及用于NE(WN)、皮质醇(WC)、肾上腺素(WE)的工作电极(WE)、参比电极(RE)和对电极(CE)。(C) 光学图像显示不同时间间隔下流体的运动及其与预沉积竞争物（红色染料）的混合，展示了流体动力学和试剂更新情况。比例尺：1 cm。(D) 计时电极读数。上图：计时电极工作原理。下图：不同流速下的电流-时间曲线。(E) 传感阶段的工作流程：(i) 计时器激活，(ii) IMP传感器激活，(iii) 工作电极测量。在1.5 µl min⁻¹流速下检测1 ng ml⁻¹皮质醇的代表性电流和阻抗信号。(F) 灵敏度与切换动力学：(i) 皮质醇在1和10 ng ml⁻¹浓度下的电流读数；(ii) 在1.5 µl min⁻¹流速下对皮质醇浓度变化（10→1 ng ml⁻¹及反之）的动态检测。

图4. 关于应激激素在生理、情绪及药物应激调节作用下动态变化的初步人体研究。(A) 高强度间歇训练（HIIT）方案示意图，前10分钟内交替进行高强度和低强度运动以诱发急性生理应激。(B) HIIT研究过程中0、10、20、30和40分钟时皮质醇(Cort)、肾上腺素(EPI)和去甲肾上腺素(NE)水平的定量结果。(C) 急性应激期（10分钟）和恢复后期（40分钟）Cort、EPI和NE相对于基线的归一化变化（P<0.05，n=10）。(D) 国际情感图片系统（IAPS）方案示意图，前10分钟内呈现情绪诱发图片以引入情绪应激。(E) IAPS研究过程中0、10、20、30和40分钟时Cort、EPI和NE水平的定量结果。(F) 急性应激期（10分钟）和恢复后期（30分钟）Cort、EPI和NE相对于基线的归一化变化（P<0.05，n=11）。(G) 10分钟时通过补充剂摄入缓解应激的示意图。（H) 补充剂摄入前后Cort、EPI和NE水平的定量结果。(I) 补充剂摄入后（10分钟）和恢复后期（40分钟）Cort、EPI和NE相对于基线的归一化变化（n=10）。(J) 基于SHAP值的相对生物标志物特征重要性，用于预测PANAS情感得分。(K) 热图显示各训练样本中用于状态焦虑预测的SHAP特征贡献，按激素分组。(L) SHAP决策树，展示各特征对状态焦虑(SA)预测模型的贡献。

图5. Stressomic用于应激激素动态分析的体表评估。(A) 完全集成式Stressomic的示意图，展示信号处理电子器件、接触焊盘、Cu电极、激光诱导石墨烯(LEG)以及通过Z轴导电胶带连接的微流控层。(B) Stressomic系统的功能框图。关键组件包括用于电化学传感的模拟前端(AFE)、阻抗测量电路、用于无线数据传输的低功耗蓝牙(BLE)模块，以及用于实时应激激素分析的板载处理单元。ADC：模数转换器；SoC：片上系统；SPI：串行外设接口。(C) 体表测试装置：设备佩戴于参与者前臂，并与笔记本电脑连接以进行方案引导。(D) 光学图像显示随时间变化微流控室内在皮肤上的流体动力学及试剂流动情况。比例尺：1 cm。(E) HIIT研究过程中的体表应激激素动态分析（从第一腔室充满后开始）。(F) IAPS研究过程中的体表应激激素动态分析（从第一腔室充满后开始）。(G) 补充剂摄入后的体表应激激素动态分析，显示补充剂摄入后应激反应减弱。

     本研究成功开发了一种名为Stressomic的可穿戴多路复用微流控生物传感器，用于汗液中皮质醇、肾上腺素和去甲肾上腺素三种应激激素的实时动态监测。该平台通过将离子导入驱动的汗液提取、基于毛细管爆破阀的时序微流控采样，以及金纳米树枝修饰激光诱导石墨烯电极的高灵敏电化学检测相结合，实现了对多种应激激素的同时、连续、非侵入性分析。在涵盖高强度间歇训练、国际情感图片系统诱发的心理应激以及补充剂干预的人体研究中，该系统可靠地捕捉到了三类应激激素各异的动态变化模式——皮质醇呈缓慢的HPA轴响应，去甲肾上腺素在心理应激中显著升高而肾上腺素变化微弱，证实了该系统能够有效区分不同类型的应激源并揭示HPA轴与交感神经系统之间的动态交互。进一步结合机器学习框架，研究还发现多激素特征能够有效预测个体的情感状态（积极/消极情绪和状态焦虑），为应激的客观量化评估提供了新思路。Stressomic平台为早期识别应激适应不良、个性化应激管理和深入理解应激生物学机制提供了强有力的工具，代表了可穿戴健康监测技术向多指标、动态化、智能化方向迈出的重要一步。

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