工作压力太大？可穿戴石墨烯传感器提供实时压力监测
第一作者：Rebeca M. Torrente-Rodríguez、Jiaobing Tu
通讯作者：高伟
通讯单位：加州理工学院
研究亮点：
1. 利用激光刻蚀大规模制备用于测量汗液中微量皮质醇的石墨烯免疫传感器。
2. 制备了全集成柔性无线汗液皮质醇监测平台。
3. 人体研究揭示了汗液皮质醇与血液皮质醇可能存在较强的相关性
4. 首次证明汗液皮质醇存在生理节奏，并在不同物理刺激下产生应激反应。
压力过度——21世纪的全球性流行疾病
世界卫生组织（World HealthOrganization, WHO）近年已经将压力过度定义为21世纪新的全球流行病1。研究数据显示，全球约有10.7%的人口被抑郁症，焦虑症，创伤后遗症等心理疾病困扰2。此外，还有相当一部分人患有“亚”心理疾病或轻微心理异常。大约每三个人中，只有一个人可被列为心智健康。更有人称，过度的压力是疾病的根源。因此，迅速而有效的心理压力检测不仅有利于临床心理疾病的诊断，更有助于人们进行有效的日常压力管理，提高人的工作效率。
然而，现有的问卷式压力调查存在主观性偏差，不仅不能量化压力，更不能及时有效地进行压力监测与管理。通常，血液中的皮质醇（cortisol）含量可被用来量化人的压力程度，因此皮质醇又被称为压力激素，在人们苏醒后三十分钟时分泌量达到最高峰，之后会慢慢下降，直到睡觉前达到最低水平。短期与长期的生理及心理压力都会影响皮质醇的分泌；皮质醇下降幅度的快慢常被用来判断人们压力高低。人的汗液中含有微量的皮质醇。尽管汗液皮质醇在无创，及时压力检测方面有巨大的潜能，由于汗液采样分析的难度及汗液中皮质醇的低浓度，此前并没有研究能够证实汗液皮质醇与压力的相关性。
成果简介
近日，加州理工学院高伟教授课题组开发了一种可大规模制备的柔性石墨烯免疫传感器，用于监测汗液中的皮质醇浓度，进而实现实时评估精神压力状况3。
图1. 全集成柔性无线汗液皮质醇监测平台。
要点1：大规模石墨烯生物传感器制备
在该工作中，作者利用激光刻蚀商业高分子膜进行大规模三维石墨烯电极制备，然后利用电聚合的方式进行方便，快捷的石墨烯表面修饰实现多模生物传感器一次性制备。石墨烯优异的导电性为电子传递提供了良好的通道，且其超高的比表面积为固定更多生物识别位点提供了平台，进而达到识别极微量生物标志物的目的。作者在缓冲溶液及两种无创性体液（汗液和唾液）中测试了该设备的性能。并使用酶联免疫吸附测定对大量汗液样本的测试结果进行了验证。
图2. 石墨烯生物传感器设计及性能测试。
要点2：全集成柔性无线汗液皮质醇监测平台
作者进而将得到的柔性皮质醇传感器与印刷电路板进行集成，得到的柔性设备尺寸仅为20×35×7.3 毫米，为可穿戴实时皮质醇测试提供了良好的借鉴作用。值得注意的是，考虑到实际使用中的各种环境及人为误差，作者在同一平台上集成可三个工作电极实现了统一误差的最小化。基于传感器表面修饰的普遍性，未来三个工作电极可被进一步改进为三个不同的免疫传感器，从而更全面地检测汗液中不同的应激激素。此外，作者针对性设计了微流控汗液收集模块，且该设备在多次弯曲测试中表现出了良好的稳定性。
图3. 全集成系统设计与弯曲测试。
要点3：汗液皮质醇的生理节奏
作者对一位受试者的汗液皮质醇进行了六天的连续跟踪监测并发现其汗液皮质醇呈现与血液皮质醇生理节奏相似的昼夜节律。作者进一步将四位受试者的唾液及汗液与血清中的皮质醇进行比对，发现各体液中的皮质醇均呈现类似生理节奏。此外，该研究中的汗液皮质醇浓度与同时段采集的血液及唾液皮质醇浓度均呈现较强的相关性。
图4. 汗液皮质醇生理节奏人体研究。
要点4：汗液皮质醇的应激反应
在发现汗液皮质醇与血液皮质醇的相关性之后，作者更进一步对汗液皮质醇的应激反应进行了动态研究。高强度体育训练可增强体内皮质醇分泌。作者研究了四位受试者的汗液皮质醇并发现汗液皮质醇也呈现类似应激反应。而且汗液皮质醇的生理节奏对其应激反应程度也有所影响。
鉴于疼痛、焦虑与压力有紧密的关系，作者利用临床上用于疼痛控制研究的冷加压实验对受试者进行物理及心理刺激。在冷加压实验中，受试者需要将手腕关节以下浸于冰水中，三分钟后取出。离子电渗透法被用于受试者以实现连续的人工发汗。作者对受试者在冷加压前与冷加压后约二十分钟内的汗液皮质醇进行检测并发现该实验同样引起汗液皮质醇浓度的上升。由此可见，汗液皮质醇对短期压力刺激也可呈现应激反应。
图5. 汗液皮质醇在物理刺激下的应激反应。
小结
作者利用激光刻蚀及电聚合大规模制备的方式开发了全集成柔性无线汗液皮质醇监测平台。基于可量化制备及高灵敏石墨烯生物传感器等优势，作者进行了多样初步人体实验，发现汗液皮质醇与体内皮质醇有较强的关联性并第一次在汗液皮质醇中监测到生理节奏以及应激反应。该研究为柔性可穿戴实时监测皮质醇浓度提供了良好的借鉴作用，并有望实现压力过渡甚至抑郁症的居家实时监测，为取代集中式医院护理，实现个性化压力监测与情绪管理指明了方向。
文献链接
Rebeca M. Torrente-Rodríguez, et al. Investigation ofCortisol Dynamics in Human Sweat Using a Graphene-Based Wireless mHealth System.Matter.
DOI: 10.1016/j.matt.2020.01.021
https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30021-7
参考文献
1. http://scitechconnect.elsevier.com/stress-health-epidemic-21st-century/
2. https://ourworldindata.org/mental-health
3. https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30021-7
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