本文报道了一项原创性研究，作者团队来自美国西北大学等多个研究机构，主要研究者包括Soongwon Cho、Shaghayegh Shajari、Yirui Xiong、Kenneth Madsen、Zengyao Lv、Seyong Oh以及通讯作者John A. Rogers。该研究发表于Nature Sensors期刊2026年1月刊（第1卷，85–98页），在线发表日期为2026年1月15日。
研究背景
该研究属于可穿戴生物传感器与即时检测技术领域，针对人体应激激素——皮质醇的连续、无创监测需求而开展。皮质醇（cortisol）是肾上腺分泌的一种类固醇激素，在应激反应以及昼夜节律调节中发挥核心作用。下丘脑—垂体—肾上腺轴的激活会促使皮质醇释放进入血液，从而引起血压和血糖升高等代谢反应，以帮助机体应对压力情境。然而，长期暴露于高水平皮质醇会对心血管、免疫、肾脏和内分泌系统造成损害，并与创伤后应激障碍、慢性疲劳综合征等疾病相关。尽管皮质醇具有重要的生理与病理意义，目前常用的监测方法仍依赖血液采集或唾液检测。血液采集需要专业人员操作且具有侵入性，唾液样本则易受口腔内物质污染，时间分辨率有限。汗液中的皮质醇检测近年来受到关注，但已有的可穿戴电化学传感器需要电子系统支持，且难以实现长时间序列化监测。传统的比色传感器虽然具备非电子化读出的潜力，却因汗液中皮质醇浓度极低而受到挑战。
针对以上问题，本研究旨在开发一种基于纸基微流控平台与横向流动免疫分析（lateral flow assay, LFA）的可穿戴设备，利用金纳米花（gold nanoflower, AuNF）作为信号标记，结合离子电渗法诱导汗液分泌，实现皮质醇的长时间、时间序列化无创监测。研究包含两种时序采样模式：一是通过可编程电子计时电路控制离子电渗事件的顺序启动；二是利用基于牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）的纸基延迟阀与自供电电致变色计时器，实现无电子化的采样时序控制。该研究还通过人体试验验证了该系统在昼夜节律、急性冷压应激和时差反应监测中的性能。
研究流程
本研究的实验流程可分为多个相互关联的阶段。首先，研究团队合成了AuNF并构建了竞争型LFA系统。AuNF通过4-氨基苯硫酚与金离子反应制备，平均粒径约164 nm，表面具有较高的比表面积和增强的消光系数，从而提高了抗体固定效率和检测灵敏度。LFA由样品垫、结合垫、硝酸纤维素膜和吸收垫组成。样品垫中的磷酸盐缓冲液将汗液pH调节至6.5，结合垫上负载与抗皮质醇抗体结合的AuNF（AuNF–Ab偶联物）。检测线固定BSA–皮质醇偶联物（BSA–CTS），对照线固定抗小鼠IgG抗体。在无皮质醇存在时，AuNF–Ab偶联物与检测线结合形成明显条带；随着皮质醇浓度升高，AuNF–Ab偶联物上的抗体被汗液中的游离皮质醇占据，与检测线的结合减少，检测线颜色逐渐变浅直至消失。对照线则随皮质醇浓度升高变得更加明显。通过对照线与检测线颜色强度的比值，可实现对皮质醇浓度的定量检测，检出限达到75 pg/ml，覆盖100 pg/ml至100 ng/ml的生理相关浓度范围。该检测性能在不同汗液流速和不同批次真实汗液样本中均保持稳定，与酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）测定结果高度相关（r = 0.94）。
在硬件平台方面，研究开发了一种结合电子计时器的离子电渗模块。该模块由长时计时器TPL5110、短时计时器TLC551、2-4译码器SN74LVC1G139和2位计数器74HC73构成，能够按预设时间间隔依次激活四个离子电渗通道，每个通道包含一个含卡巴胆碱（carbachol）的琼脂糖水凝胶（carbagel）和一个氯化钾水凝胶。当通道被激活时，电流通过皮肤促进卡巴胆碱局部递送并诱发汗腺分泌汗液。实验表明，carbagel在0.5%浓度、4.3 μA/mm²电流密度下可产生约20 μl汗液，满足微型化LFA至少10 μl的需求。皮肤表面刺激位点与收集通道之间的距离优化为1.5 mm，以避免不同通道间交叉污染，同时保证汗液收集量。研究还通过有限元分析（finite element analysis, FEA）模拟了电场分布和汗液流动，验证了时序离子电渗操作的有效性。
在无电子化即时采样方面，研究开发了BSA门控纸基微流控延迟阀。将4% BSA溶液滴铸在纤维素纸通道的指定位置，干燥后形成疏水屏障，暂时阻止汗液流动。随着汗液逐渐溶解BSA，接触角降低，通道恢复亲水性，汗液得以继续流动进入LFA。通过调节BSA浓度和通道宽度，可以控制延迟时间。研究还开发了基于聚苯胺阴极和镍阳极的电致变色计时器，以汗液作为电解质，在还原过程中聚苯胺从深蓝色变为淡绿色，通过颜色变化记录采样时间。计时器对温度变化不敏感，且可通过外接电阻调节计时时长。通过在计时器前设置聚苯胺预还原通道，可消除汗液中抗坏血酸等还原性干扰物的影响。
人体试验部分包括三类场景：昼夜节律监测、冷压试验（cold pressor test, CPT）和时差反应监测。昼夜节律试验中，参与者连续三天在多个时间点同时采集汗液和唾液样本，LFA测得汗液皮质醇浓度与唾液ELISA结果变化趋势一致，两者相关系数为0.73（n = 6）。冷压试验中，参与者在冰水中浸泡手部3分钟，汗液和血清皮质醇浓度均在暴露后20分钟达到峰值，40分钟后恢复，展示了该系统对急性应激反应的时间分辨能力。时差试验中，参与者经历跨时区旅行后，早晨与下午的皮质醇节律出现逆转，约12天后恢复至正常昼夜节律，LFA结果与血清测定结果高度相关（r = 0.73，n = 10）。
研究主要结果与逻辑关系
AuNF的合成与表征结果验证了其在LFA中作为信号标记的优势，AuNF表面粗糙、表面积大，有助于提高抗体负载量和信号强度，这是整个检测系统实现皮摩尔级灵敏度的基础。LFA标准曲线显示，随着皮质醇浓度升高，检测线颜色强度呈线性下降，对照线颜色强度呈反向变化，两者比值提供了稳健的定量依据。值得注意的是，LFA信号在测定完成后6小时内保持稳定，这对长时间连续采样和多通道时序检测至关重要，因为不同通道的检测完成时间不同，信号稳定性保证了后续图像采集和分析的准确性。
时序离子电渗模块的电路设计保证了四个通道按预设时间间隔依次激活，每个通道的激活状态由LED指示。皮肤刺激与收集通道之间的距离优化为1.5 mm，FEA模拟和人体试验均证实该距离能在保证汗液产量的同时避免通道间污染，这为多时间点采样的可靠性提供了保障。因此，该模块能够在不需要人工干预的情况下，在数小时内自动完成多次汗液诱发与采集，为昼夜节律等长时间监测提供了技术支持。
纸基延迟阀和电致变色计时器构成的无电子化方案展示了另一种采样策略。BSA延迟阀的溶解动力学与时序释放之间的关系通过实验和模拟得到验证，延迟时间可通过BSA浓度和通道宽度进行调节，从而实现对不同时间点的汗液分割采集。电致变色计时器的比色变化与电荷量直接相关，可通过电阻控制放电速率，实现对采样时间的定量记录。这一方案不依赖外部电源或复杂电子电路，为自然出汗条件下的应用提供了可能。
人体试验中，汗液皮质醇浓度变化与唾液和血清中的皮质醇变化趋势高度一致。在昼夜节律试验中，LFA系统成功捕捉到了早晨峰值和午后下降的生理节律。冷压试验中，汗液和血清皮质醇在刺激后20分钟出现峰值，验证了该系统对急性应激反应的时间分辨能力。时差试验表明，跨时区旅行后皮质醇节律出现紊乱，表现为早晨与下午浓度关系的反转，而在恢复期后节律逐渐回归正常。这些结果一致证明，该可穿戴LFA平台能够以时间序列方式监测皮质醇动态变化，且与常规生物样本检测结果具有可比性。
研究结论与应用价值
本研究提出的可穿戴平台提供了一种快速、便捷且无需大型仪器的时间序列化汗液皮质醇监测方法。其核心创新在于将AuNF基LFA与两种互补的时序采样策略相结合：电子计时电路适用于长时间自动监测，纸基延迟阀与电致变色计时器则适用于短时、无电子化操作。该平台准确性高、选择性好，能够覆盖生理相关浓度范围。人体试验证明其在昼夜节律追踪、急性应激评估和时差反应监测中具有实用价值，为压力管理、睡眠障碍和昼夜节律紊乱的个性化干预提供了新的工具。此外，该技术框架可扩展至汗液中其他低浓度生物标志物的检测，并可与生物物理监测系统集成，形成更全面的压力状态评估方案。
研究亮点
本研究的突出亮点包括：第一，首次将AuNF应用于汗液皮质醇的LFA检测，显著提升了比色检测灵敏度，检出限达到75 pg/ml；第二，开发了两种时间序列采样策略，兼顾电子化和无电子化应用场景，解决了传统汗液传感器难以进行长时间多次采样的问题；第三，通过超亲水和超疏水表面组合设计，有效解决了汗液蒸汽在观察窗上凝结影响信号读取的问题，保证了长时间佩戴条件下的清晰可视化；第四，人体试验覆盖昼夜节律、急性心理应激和时差反应等多种生理状态，证明了该技术在实际场景中的适用性和可靠性。