针对论文《wsense4cort: a lab-on-skin capillary microfluidic immunosensor with sweat storage for on-body cortisol quantification and parallel validation》的学术报告

一、研究团队与发表信息

本研究由加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）生物医学工程系的Fereshteh Vajhadin、Kirankumar Kuruvinashetti、Azam Zare等人，联合机械与制造工程系的Mohsen Hassani、电气工程系的Mahmood Khalghollah，以及Sensesi公司的David Rosenegger等共同完成。通讯作者为Amin Komeili和Amir Sanati Nezhad，分别来自卡尔加里大学生物医学工程系与机械及制造工程系，同时隶属于Snyder慢性病研究所和Hotchkiss脑研究所。该研究成果发表于《Chemical Engineering Journal》第532卷，文章编号174373，于2026年2月20日在线发表。

二、研究背景与目的

该研究属于可穿戴生物传感与微流控免疫分析交叉领域。皮质醇（cortisol）是下丘脑-垂体-肾上腺轴调控的核心应激激素，约5%至10%的游离皮质醇可经汗腺分泌进入汗液，使汗液成为非侵入式应激监测的理想生物流体。然而，现有汗液皮质醇传感器普遍存在检测范围过宽（1至1000 ng/ml）、在生理相关浓度区间内分辨率不足的问题。文献分析显示，人体汗液皮质醇浓度通常集中在1至20 ng/ml，上限约为100 ng/ml，而宽动态范围设计往往牺牲了该区间内的灵敏度。此外，传统免疫测定向可穿戴电化学平台的转化还受限于缺乏稳健的信号转导方法、酶或标记物带来的复杂性以及缺乏同一样本的体外验证手段。本研究旨在开发一种自供能、无标记、无酶的可穿戴电化学免疫传感器，实现生理范围内的高分辨率检测，并通过双纤维设计支持同一样本的体外酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）平行验证。

三、研究流程与实验方法

研究整体可以分为四个主要阶段：传感界面构建与表征、电化学检测性能评估、微流控芯片集成与流体力学验证、以及人体穿戴实验与平行验证。

第一阶段：免疫传感界面的构建与表面表征。 研究采用丝网印刷电极，以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为基底，集成工作电极、银/氯化银参比电极和石墨烯基对电极。电极表面通过羧基与抗体氨基的一步共价偶联实现功能化，随后使用牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）封闭非特异性位点。研究运用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）证实了酰胺键的形成和BSA蛋白骨架特征峰的出现；热重分析（TGA）显示油墨在350至450摄氏度区间失重达86%，揭示了含氧官能团的热分解行为；X射线光电子能谱（XPS）在289.1 eV处观察到羧基富集峰，证实了共价偶联的化学基础。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）显示，抗体固定和BSA封闭显著降低了表面粗糙度，BSA层使平均粗糙度降至0.7微米以下，界面杨氏模量从超过4500 kPa降至低于1500 kPa。接触角测量显示裸电极疏水性（119度），抗体功能化后降至32.8度，皮质醇结合后回升至54度，间接证明抗原捕获成功。马兰戈尼驱动的干燥图案分析进一步证实了表面能变化与生物功能化之间的关联。

第二阶段：电化学免疫传感性能评估。 研究采用铁氰化钾/亚铁氰化钾（[Fe(CN)6]3−/4−）作为氧化还原介体，通过电化学阻抗谱（EIS）监控电荷转移电阻（RCT）。介体浓度优化实验确定5 mM为最佳浓度。扫描速率实验证实了扩散控制的电化学反应特征。结合动力学实验显示，皮质醇与抗体结合在5分钟后达到平台期，因此确定5分钟为最佳孵育时间。在磷酸盐缓冲液（PBS）和人工汗液（artificial sweat, AS）中，传感器均实现了1至20 ng/ml的线性检测范围，回归方程分别为RCT = 2434.1C + 34,728和RCT = 2183.7C + 33,944，相关系数r²均达到0.99。检测限分别为0.50 ng/ml和0.88 ng/ml。传感器灵敏度为2184 Ω·ml/ng。重复性测试显示批内相对标准偏差为3.22%，批间为1.65%。选择性测试证实葡萄糖、乳酸和雌二醇等干扰物对响应影响微小。20天稳定性测试中RCT仅漂移8%。

第三阶段：可穿戴微流控芯片的设计与流体力学验证。 wsense4cort芯片采用多层柔性聚合物堆叠结构，总尺寸为3.8×3×0.1立方厘米。底层为亲水入口纤维和医用胶带，向上依次为亲水导流层、疏水控制层、电极层、压敏胶微通道层及亲水覆盖层。微流控网络包含单一入口、主通道、对称分支侧通道、中央传感腔和两侧氧化还原储液腔，侧通道内嵌亲水纤维素存储纤维。芯片采用二氧化碳激光切割加工，通过迭代设计测试循环优化了通道几何参数、排气口位置和中空区域布局。流体动力学数值模拟和实验验证表明，液体进入入口后5秒到达传感腔，6秒填充氧化还原储液腔，25秒和48秒分别填充左右存储纤维，实现了可编程的序列填充。在强制注射、体外和体表条件下，传感腔和氧化还原储液腔的填充时间保持一致，说明流体时序由毛细管阻力主导而非汗液分泌速率。氧化还原介质的扩散稳定在10分钟内完成，计算机流体动力学模拟和视频色彩分析均证实了扩散的均匀性。机械性能测试显示芯片可承受170 kPa的极限拉伸强度和12%的断裂伸长率，50次循环弯曲后电化学性能无明显退化。

第四阶段：人体穿戴实验与ELISA平行验证。 12名受试者参与了皮质醇监测研究。受试者通过室内骑行15至30分钟诱导出汗，芯片分别贴敷于前额和下背部。研究同时进行片上电化学检测和存储纤维中汗液的ELISA分析，两者相关系数r²达到0.90。12名受试者的汗液皮质醇浓度呈右偏态分布，平均值为7.52 ng/ml，标准差3.71 ng/ml，大多数个体集中在3至12 ng/ml范围。对3名受试者的不同部位比较显示，背部皮质醇水平始终高于前额。对4名受试者的昼夜节律分析表明，晨间皮质醇水平均高于晚间。整个检测过程在10分钟内完成，显著快于传统ELISA所需的100分钟。

四、主要结果及其逻辑关系

表面表征结果证实了一步法抗体固定策略的有效性，为后续电化学检测提供了化学和形貌层面的证据。电化学性能评估确定了线性检测范围和灵敏度，其中5分钟的最佳孵育时间直接指导了后续芯片上的孵育时序设计——10分钟的总检测时间包含了5分钟的抗原抗体结合和氧化还原介质扩散稳定所需时间。微流控验证证明了序列填充的可编程性，这是实现自动化检测的关键前提：传感腔必须先于储液腔填充以保证抗原抗体反应优先发生，而储液腔的介质再水化必须在存储纤维填充之前完成，以防止介质的过早稀释。体外和体表填充时间的一致性表明芯片性能对个体汗液速率差异不敏感，为临床应用提供了可靠性基础。人体实验中的高相关性（r²=0.90）验证了芯片测定的准确性，而解剖部位和昼夜节律差异的检测则展示了传感器的生物学分辨能力。

五、研究结论与应用价值

本研究成功开发了wsense4cort可穿戴电化学免疫传感器，实现了汗液皮质醇的无标记、无酶、自动化检测。该平台采用被动扩散驱动的氧化还原递送机制，消除了对酶、标记物或固定化介体的依赖，在1至20 ng/ml生理相关范围内实现了1300 Ω·ml/ng的高灵敏度。双纤维设计支持同一样本的片上检测与体外ELISA平行验证，为可穿戴免疫传感器的标准化验证提供了新范式。从科学价值看，该研究首次将扩散介导的氧化还原递送策略应用于可穿戴电化学免疫传感，证明了毛细管微流控序列控制与免疫分析集成的可行性；从应用价值看，该平台采用低成本商用聚合物材料和激光切割工艺，具备规模化生产潜力，为个性化压力监测和内分泌相关疾病的早期筛查提供了实用的技术路径。

六、研究亮点与特色

本研究的核心创新体现在三个层面。其一，信号转导机制创新：采用被动扩散驱动的氧化还原递送，避免了固定化介体降解和酶标记稳定性问题。其二，流体架构创新：通过双纤维设计在同一芯片上实现了检测样本与验证样本的同步保留，解决了长期困扰可穿戴传感器的验证难题。其三，生理相关性优化：基于14项研究、超过65名受试者的数据分析，有针对性地将检测范围设计为1至20 ng/ml，而非广泛覆盖的常规做法，实现了在该区间内每ng/ml约1375 Ω的高分辨率响应。此外，研究还提供了包括表面能变化、干燥图案和界面力学在内的多维度表征数据，为可穿戴免疫传感器的制造质量控制提供了新的评估思路。