一种用于原位汗液皮质醇监测的多模态可穿戴微流控平台，基于 NiHCF 赋能的分子印迹电化学传感器

《Biosensors and Bioelectronics》：A multimodal wearable microfluidic platform for in situ sweat cortisol monitoring with a NiHCF-enabled molecularly imprinted electrochemical sensor

　　皮质醇是反映压力、昼夜节律调节及运动相关生理反应的关键生物标志物。然而，传统的血液、唾液或尿液检测方法不适用于非侵入性和现场部署的生理评估。本研究报道了一种皮肤界面的可穿戴微流控平台，用于原位汗液皮质醇分析，该平台采用镍六氰合铁酸（NiHCF）赋能的分子印迹电化学传感器。NiHCF氧化还原转换器增强了在生理相关介质中的电化学稳定性，而基于聚吡咯（PPy）的分子印迹聚合物（MIP）界面提供了选择性皮质醇识别和方波伏安法（SWV）信号读取。传感器阵列集成了离子导入汗液诱导、微流控汗液采样、Na?/pH辅助的汗液基质校正、微型化电子器件以及无线数据传输与可视化。皮质醇传感器的校准范围从0.1 fM至100 μM，灵敏度为1.62 μA(lg[nM])?1cm?2，检测限为0.043 fM。人体受试者研究显示皮质醇呈现昼夜节律变化、冷压试验诱导的皮质醇升高以及运动相关的皮质醇变化，测量结果与酶联免疫吸附测定（ELISA）进行了对比基准验证。通过整合表面肌电图（sEMG），该平台进一步实现了运动诱导疲劳相关状态的多模态表征，即将局部神经肌肉特征与与疲劳诱导的运动应激相关的汗液内分泌反应配对。这种可穿戴策略有望支持对压力和疲劳相关生理状态进行非侵入性、状态分辨的评估，以实现个性化健康监测。皮质醇是机体应对心理和身体应激进行生理适应的关键内分泌介质。其分泌受下丘脑–垂体–肾上腺（HPA）轴调节，并随昼夜节律、运动强度和应激暴露而变化（Lightman和Conway-Campbell 2010；Russell和Lightman 2019；Tu等 2025）。因此，监测皮质醇动态可能提供关于运动和恢复期间全身应激反应的信息。然而，传统的血液、唾液和尿液检测需要侵入性或手动定时采样及实验室分析，限制了在野外或可穿戴条件下进行频繁测量（Casals和Hanzu 2020；Fleseriu等 2023；Vignesh等 2024）。汗液是一种可获取的生物流体，与表皮微流控和电化学传感兼容（Brasier等 2024；Davis等 2024）。然而，静息时的自发汗液分泌有限且不可预测，而运动或热诱导的出汗则可能改变正在评估的生理应激反应。依赖这些方法可能会混淆汗液采集与运动刺激本身，并限制在预定时间点进行测量（Costello等 2018；Emaminejad等 2017；Simmer等 2018）。离子导入克服了这一局限，能够在不依赖全身运动或热负荷的情况下实现局部按需汗液生成。在常用的胆碱能药物中，卡巴胆碱比毛果芸香碱代谢更慢，能够在短暂离子导入给药后维持局部出汗（表S2）。先前的临床研究也评估了卡巴胆碱介导的离子导入的皮肤兼容性，并报告在测试条件下皮肤耐受性良好（Rajendran等 2026；Simmer等 2018）。离子导入刺激与微流控采集相结合，从而提供了一条实用途径，可在不引入运动或热负荷作为额外生理干扰因素的情况下，实现静息状态和时间控制的汗液采样（Simmer等 2018；Wang等 2022b）。电化学传感提供了可穿戴汗液分析所需的灵敏度、微型化和低功耗操作（Sempionatto等 2022；Wang等 2022b；Yokus等 2020）。抗体、适配体和分子印迹聚合物（MIPs）均已用于皮质醇识别。在这些受体中，MIPs提供合成的目标互补空腔，通常比生物识别元件更能耐受温度、储存和化学变化，使其成为一次性可穿戴传感器的理想选择（Karuppaiah等 2023；Singh等 2023；Tang等 2021；Torrente-Rodríguez等 2020）。然而，基于MIP的电化学传感器仍需要稳定的氧化还原转换元件，将目标再结合转化为可测量的电流响应。普鲁士蓝（PB）已在多个基于MIP的皮质醇传感器中用作嵌入式氧化还原探针（Chu等 2025；Karuppaiah等 2023；Tang等 2021）。然而，PB在中性或碱性生理相关介质中可能出现信号衰减，这可能损害在汗液相关环境中重复测量时的信号稳定性。这一局限促使人们寻求更稳定的氧化还原活性转换器用于基于MIP的皮质醇传感（Gunatilake等 2025；Ma等 2023；Wang等 2025）。运动诱导的疲劳相关反应发生在不同的生理水平和时间尺度上（Enoka和Duchateau 2008；Torrente-Rodríguez等 2020）。表面肌电图（sEMG）记录收缩期间局部肌肉的电信号活动，并反映与疲劳相关的运动单位募集、放电行为和肌纤维传导的变化（Cifrek等 2009；Farina等 2004）。相比之下，皮质醇代表由HPA轴激活介导的全身内分泌反应。其在汗液中的出现需经历激素分泌、全身循环、分配至汗液及运输至传感界面，因此其时间响应比sEMG更为缓慢（Cifrek等 2009；Russell和Lightman 2019；Torrente-Rodríguez等 2020）。先前的可穿戴测量同样表明，汗液皮质醇可在急性应激源出现后数分钟达到峰值（Tang等 2021；Wang等 2022a；Wang等 2024）。因此，结合这两种模态可以实现近乎实时的神经肌肉变化解读与延迟的全身内分泌反应相结合，从而提供关于疲劳进展和恢复的互补信息。在此，我们报道了一种皮肤界面可穿戴平台，该平台集成了NiHCF赋能的皮质醇MIP传感器、离子导入汗液诱导、微流控采样和微型化无线电子器件（图1A，视频S1和S2）。NiHCF被用作皮质醇印迹层内的内置氧化还原转换器，同时Na?和pH测量提供了用于汗液基质校正的上下文参数。卡巴胆碱介导的离子导入实现了静息状态和预定时间点的局部汗液诱导与采集。该平台使用真实汗液样本进行评估，并与酶联免疫吸附测定进行对比基准验证。在抗阻运动期间，进一步整合sEMG，将局部肌肉神经肌肉信息与由汗液皮质醇代表的较慢全身内分泌反应相结合。该平台提供了一种概念验证策略，用于非侵入性皮质醇监测和运动诱导疲劳相关状态的多模态表征。以下为与本文相关的补充数据。材料与方法部分见补充信息。为实现非侵入性、原位汗液皮质醇监测，我们开发了一种皮肤界面可穿戴微流控平台。该平台由加载卡巴胆碱的离子导入水凝胶界面（用于静息时按需汗液诱导）、多层微流控模块（用于局部汗液采集）、基于聚酰亚胺（PI）的电化学传感器阵列（用于皮质醇、pH和Na?测量以进行汗液基质校正），以及定制设计的印刷电路板（PCB，用于信号采集和无线通信）组成。本工作展示了一种基于NiHCF赋能的分子印迹电化学传感器的皮肤界面可穿戴微流控平台，用于非侵入性、原位汗液皮质醇分析。通过将稳定的NiHCF氧化还原转换器与PPy基MIP识别界面相结合，传感器在生理相关介质中实现了选择性皮质醇检测和基于SWV的信号读取。集成系统进一步结合离子导入汗液诱导、微流控汗液采样、Na?/pH辅助的汗液基质校正以及微型化电子器件和无线数据传输与可视化。刘春秀：写作–审阅与编辑，监督，资源，资金支持获取。薛宁：写作–审阅与编辑，监督，资源，资金支持获取。梁淑丽：验证，调查。宋子萱：方法学，数据整理。李程宇：写作–审阅与编辑，监督，资源，资金支持获取。匡苏辉：调查，概念化。陈文韬：写作–审阅与编辑，写作–原稿撰写，可视化，验证，软件，方法学。作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。本研究部分由国家重点研发计划（2021YFB3200600，2020YFC2004500）、国家自然科学基金（NSFC）（62273321，62073307，62204243）、中国科学院设备预研联合基金（8091A140106）以及临港实验室脑机接口项目（LG-GG-202402-04-01）资助。陈文韬｜程杭杭｜尹明辉｜宋子萱｜梁淑丽｜匡苏辉｜李程宇｜薛宁｜刘春秀中国科学院大学，北京，100190，中国