背景介紹

如今，快節奏的現代生活方式正在給人們帶來高度的精神和身體壓力，這可能會削弱人體免疫系統，并導致抑郁癥、心血管疾病和庫欣病等健康問題。由于患者對癥狀的自我報告具有高度的主觀性，因此制定能夠以定量和連續的方式跟蹤人體壓力水平的策略對于壓力相關疾病的早期診斷和及時干預至關重要。作為一個經典的例子，下丘腦-垂體-腎上腺（HPA）軸的最終產物皮質醇——“應激激素”通常是衡量身體應激水平的定量指標，因為它的濃度往往會隨著應激而增加，這是維持體內平衡的自然反應。因此，實時和連續監測人體生物流體中的皮質醇以及其他相關的化學和生物標志物，對于跟蹤人體的健康/情緒狀態、代謝和免疫反應至關重要。在所有人類生物流體中，汗液是皮質醇分析的一個極具吸引力的目標，因為它具有非侵入性和易于獲取的樣本。因此，對新排泄汗液中皮質醇水平的實時捕獲和分析的需求促使人們繼續努力開發生物集成分析工具，理想情況下，具有無線傳感功能。

最近的工作報告了各種形式的皮質醇傳感器的演示，包括基于電化學阻抗譜（EIS）、微分脈沖伏安法（DPV）、循環伏安法（CV）、計時電流法（CA）、場效應/電化學晶體管、和比色法的傳感器。開創性研究的顯著成功為將這一概念用于生物醫學研究和轉化工程中的應力監測和管理鋪平了道路。然而在建立現成的生物化學傳感平臺時，以下問題需要額外關注：1）皮質醇識別接口的設計值得進一步研究，以確保傳感器的動態范圍能夠完全涵蓋生理相關濃度，因為皮質醇等激素的水平自然較低（汗液中為0.4–142 ng/ml?1）。該系統還應允許在合理的時間內在芯片上產生可測量的信號，而不依賴于額外的化學物質（例如，用于免疫測定的試劑、用于EIS的氧化還原探針）。2） 皮質醇的傳統傳感策略，如CV、DPV和EIS，需要安裝在印刷電路板上的復雜硬件集合：大多數現有的可穿戴傳感技術利用數字無線方案（如藍牙、近場通信）和用于信號生成/處理和電源管理/供應的附加子系統。在最小化所產生的系統的總體尺寸、厚度、重量、靈活性和對皮膚的順應性方面的困難代表了在實現其在日常活動中以人為中心的健康監測的應用方面的實際挑戰。

本文亮點

1. 本工作報告了一種基于“兩部分”諧振電路模型的無電池設備技術，該諧振電路模型具有模塊化、物理分離和可拆卸的功能單元，用于磁耦合和生物傳感。

2. 演示了一種能夠同時記錄皮質醇濃度、pH值和溫度的可拆卸汗液貼片，突出了“兩部分”電路在先進、變革性生物傳感方面的潛力。

圖文解析

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圖1 多功能表皮傳感系統的設備概念以及在高級醫療保健中的預期應用。a） 應激誘導皮質醇生成的示意圖。壓力會觸發中樞神經系統中促腎上腺皮質激素釋放激素（CRH）的分泌，從而誘導促腎上腺皮質素的產生，并進一步觸發腎上腺中皮質醇的產生。產生的皮質醇會通過循環系統輸送到汗腺，最終以汗液的形式排出體外。b） 這項工作中報道的使用可穿戴、基于共振電路的汗液貼片同時監測汗液皮質醇、pH值和溫度的概念，用于日常醫療保健，以及壓力相關疾病的早期預防和診斷。

圖2 基于“兩部分”諧振電路的表皮傳感系統的總體設計和傳感機制。a） 由皮質醇傳感器、汗液pH傳感器和溫度傳感器組成的多功能可穿戴汗液貼片的示意圖。b） “兩部分式”傳感器系統的分解圖，顯示了關鍵功能層，包括LC磁耦合單元、金工作電極、微流體通道和一塊作為皮膚界面的雙面醫用粘合劑。（c，d）LC耦合單元c）和具有蛇形線的金工作電極d）的顯微圖像。e） 用于可視化目的的充滿有色液體的微流體的照片。藍色軌跡代表用于汗液速率測量的微流體通道，紅色軌跡代表用于測量汗液皮質醇和pH的汗液收集通道。f）化學傳感系統的電路圖和方案顯示了模塊化、可拆卸的傳感器設計，一次性直流和可重復使用的交流部件通過磁鐵連接。

當由外部讀取器系統（矢量網絡分析儀）輻射的RF能量供電時，DC部分中電勢的變化將導致AC部分的諧振頻率的偏移。g–i）顯示“兩部分”電子設備組裝過程的照片。j） 共振曲線和k）在循環連接-拆卸循環之后提取的裝置的共振頻率。單個數據點表示三次測量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測量的標準偏差。l） 具有變化的DC輸入作為變容二極管的反向偏置的代表性耦合單元的諧振曲線和m）提取的諧振頻率，其顯示了電壓靈敏度。單個數據點表示三次測量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測量的標準偏差。

圖3 傳感平臺的機械魯棒性和操作范圍的特征。a） 將傳統的“一部分”LC諧振傳感器（FET：場效應晶體管）與本工作中報道的“兩部分”設計進行比較的示意圖。b） 曲線表面上彎曲配置的“兩部分式”傳感器的照片。c） 諧振曲線和d）提取了當部署在具有變化曲率半徑的表面上時傳感器的諧振頻率和回波損耗的大小（以dB為單位）。單個數據點表示三次測量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測量的標準偏差。e） 通過改變初級讀出線圈和LC傳感器之間的相對位置（坐標系單位：mm）進行位移測試的實驗裝置示意圖。f–h）多功能系統中三個LC傳感器在不同位置的諧振頻率變化。

圖4 具有適體功能化工作電極的皮質醇傳感裝置的性能表征。a） 抗皮質醇適體功能化電極的傳感機制示意圖。具有帶負電荷的磷酸二酯酶主鏈的適體在與皮質醇結合時發生構象變化。b） 工作電極在皮質醇濃度變化的溶液中的校準圖。單個數據點表示三個不同電極的平均值，誤差條表示三個電極（n=3）的測量值的標準偏差。c） 具有不同適體/MCH比率的工作電極的校準圖。單個數據點表示三個不同電極的平均值，誤差條表示三個電極（n=3）的測量值的標準偏差。d） 抗皮質醇適體功能化電極對皮質醇與干擾物的反應。e） 抗皮質醇功能化工作電極在具有不同皮質醇濃度的1X PBS溶液中的EIS表征（奈奎斯特圖）。f） 基于E.中的奈奎斯特圖提取的電荷轉移電阻g）與抗皮質醇功能化工作電極集成的無線傳感器系統對具有不同皮質醇濃度的1X PBS溶液的響應的共振曲線和h）無線傳感器系統的提取校準圖。單個數據點表示三個不同傳感器的平均值，誤差條表示三個傳感器測量值的標準偏差（n=3）。

圖5 基于LC諧振的“兩部分式”汗液貼片中pH和溫度傳感器的設計和表征。a） PANI的電聚合過程和pH傳感機理示意圖。b） 基于PANI的pH傳感界面的校準圖顯示了pH和OCP之間的線性關系。單個數據點表示三次測量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測量的標準偏差。c） 在具有不同pH值的溶液中獲得的集成無線傳感器的共振曲線和d）提取的校準圖。單個數據點表示三次測量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測量的標準偏差。e） 基于PEG的溫度傳感器的傳感機制的示意圖，以及顯示傳感器結構的電路圖、分解圖和照片。f） 在不同溫度下獲得的無線溫度傳感器的共振曲線和g）提取的校準圖。單個數據點表示三次測量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測量的標準偏差。h） 無線溫度傳感器的實時響應。

圖6 集成無線汗液貼片，用于人體生化和生物物理信號分析。a） 受試者在運動過程中佩戴多功能汗貼的照片，以及b–c）放大層壓在手臂皮膚表面的汗貼的視圖。d） 使用連接到手持式VNA的初級線圈無線記錄信號。e） 人體皮膚上微流體通道變形的照片。f） 顯示運動過程中不同時間點彩色汗液流經微流體通道的連續照片，用于估計出汗率。g） 運動前/運動后記錄的多功能汗液貼片的共振曲線，用于同時監測皮質醇水平、汗液pH值和皮膚溫度，并放大顯示每個傳感器共振頻率變化的曲線。h） 通過傳感器和i）ELISA測定量化三種不同人類受試者在運動期間汗液皮質醇水平的變化。j） 使用皮質醇可穿戴傳感器和ELISA測定記錄健康受試者在三天內汗液皮質醇水平的晝夜節律。k） 傳感器檢測到一個人在運動過程中汗液pH值的變化。l） 由三個不同的人類受試者構建的運動過程中汗液pH值變化的總結。m） 一個人受試者在運動過程中皮膚溫度的變化，同時記錄的IR相機圖像顯示了傳感器位置周圍的皮膚溫度，用于比較。n） 由三個不同的人類受試者構建的運動過程中皮膚溫度變化的總結。（h）和（j–n）中的單個數據點表示三次測量的平均值，誤差條表示三次（n=3）測量的標準偏差。

審核編輯：劉清