本文为类型a的原创研究论文，以下为学术报告内容。

本研究由浙江大学（Zhejiang University）生物系统工程与食品科学学院农业信息智能感知实验室的Ying Liu、Peidi Fan、Xin Liu，以及浙江大学杭州国际科创中心微纳生物传感技术创新平台的Xiaoyu Su、Yuxiang Pan、Jianfeng Ping等人共同完成。通讯作者为Yuxiang Pan和Jianfeng Ping。该研究发表于Science Bulletin第70卷（2025年），第2004至2013页，并于2025年3月17日在线发表。

本研究的学科领域涉及可穿戴生物传感、分析化学、计算化学、有机电子学以及生物医学工程。其核心科学问题是实现对人体压力激素皮质醇（cortisol）的连续、非侵入式监测。皮质醇由下丘脑—垂体—肾上腺轴（hypothalamic-pituitary-adrenal axis, HPA轴）调控，其水平具有显著的昼夜节律，且与情绪障碍、代谢异常等健康问题密切相关。传统皮质醇检测依赖静脉采血和液相色谱—串联质谱（liquid chromatography with tandem mass spectrometry, LC-MS/MS）或免疫分析，需专业人员和复杂设备，无法满足日常连续监测需求。已有可穿戴电化学生物传感器多依赖抗体或核酸适配体作为生物识别元件，在生理环境中稳定性有限，且再生困难。分子印迹聚合物（molecularly imprinted polymer, MIP）具有环境耐受性强、易于制备和可再生等优势，但仍面临皮质醇在汗液中浓度极低（0.02至0.4 μmol/L）导致的检测灵敏度不足问题。有机电化学晶体管（organic electrochemical transistor, OECT）因其低工作电压、高跨导和信号放大能力而成为提升检测灵敏度的潜在平台，但面向连续皮质醇监测的系统级集成仍面临挑战。因此，本研究的目标是构建一种计算辅助的可穿戴系统，用于连续皮质醇监测，以解决识别元件的可逆性、信号放大和汗液样本采集与传输等问题。

本研究的整体技术路线包括四个主要模块：MIP组分优化、OECT器件优化、体外性能验证及人体连续监测。首先，在MIP组分优化方面，研究采用密度泛函理论（density functional theory, DFT）对七种常用功能单体（4-乙烯基苯甲酸、吡咯、丙烯酰胺、甲基丙烯酸、苯胺、3-氨基苯硼酸和邻苯二胺）与皮质醇的结合能进行计算。计算使用Gaussian 16程序，采用M062X杂化泛函，几何优化使用def2-SVP基组，单点计算使用ma-def2-TZVPP基组，并利用极化连续介质模型（polarizable continuum model, PCM）和SMD考虑水溶剂效应，同时施加沿y轴方向强度为0.002 a.u.的恒定电场以模拟实验中的电效应。结果显示4-乙烯基苯甲酸与皮质醇的结合能最高，但考虑到可逆再生需求，选择结合能适中且具有电活性的吡咯作为功能单体。进一步的DFT计算证实，在外加电场作用下，聚吡咯（polypyrrole, PPy）与皮质醇的静电势分布发生改变，皮质醇表面负电荷增加，二者结合能显著降低，因此施加负电位可使结合态皮质醇从MIP层中被排斥脱附，实现原位再生。实验上，通过在普鲁士蓝（Prussian blue, PB）修饰的工作电极上电聚合吡咯制备PB-MIP层，并在−0.2 V电位下实现了最多八次原位再生，且无需洗涤步骤。第二，在OECT器件优化方面，研究采用丝网印刷和激光切割工艺批量制备了不同宽长比（W/L=5、10、20、30、40）的OECT器件，沟道材料为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）。通过转移曲线和跨导曲线分析，发现随着W/L增大，达到最大跨导所需的栅极电压逐渐增大，W/L=40的器件在栅极电压约0.16 V时获得约1.8 mS的最大跨导。该性能与光刻工艺制备的OECT相当或更优，且成本更低。因此选择W/L=40的器件用于后续皮质醇传感，并在栅极上依次修饰PB和MIP层。第三，在体外性能验证方面，研究在磷酸盐缓冲液（phosphate-buffered saline, PBS）、人工汗液和人工唾液中测试了MIP-OECT对皮质醇的响应。在PBS中，皮质醇浓度从1 nmol/L到10 μmol/L时，器件呈现良好的电流下降响应，灵敏度为1.332 μA/dec，检测限（limit of detection, LOD）为0.69 nmol/L。在人工汗液中，灵敏度为2.549 μA/dec，LOD为0.36 nmol/L。在唾液中，灵敏度为0.486 μA/dec，LOD为0.82 nmol/L。非印迹聚合物（non-imprinted polymer, NIP）对照的响应可忽略，说明MIP具有特异性识别能力。选择性测试表明，该传感器可区分皮质醇与葡萄糖、抗坏血酸、乳酸、孕酮和泼尼松龙等结构类似物或干扰物。传感器在7天后仍保持92.1%的初始电流响应，且与酶联免疫吸附测定（enzyme linked immunosorbent assay, ELISA）结果具有良好一致性。第四，在人体连续监测方面，研究将MIP-OECT传感器与基于卡巴胆碱离子电渗的汗液诱导模块、微流控汗液采集模块以及柔性无线电路集成，构建了计算辅助穿戴式连续皮质醇监测系统（computationally-assisted wearable system for continuous cortisol monitoring, CWSCCM）。该系统采用3D打印柔性橡胶封装，无线电路板包含微控制器、模数转换器、数模转换器、低通滤波器、跨阻放大器和蓝牙低功耗模块等。实验招募人类受试者，从早晨7时至晚间11时每2小时进行一次汗液皮质醇测量。受试者在下午5时前进行45分钟跑步。结果显示，汗液皮质醇水平在早晨较高，随后下降，运动后升高，运动后2小时恢复至运动前水平。该结果与ELISA检测结果一致，并符合已知的皮质醇昼夜节律。

本研究的主要结果可概括为：DFT计算指导选择了吡咯作为MIP功能单体，并证实电场诱导的MIP再生在热力学上可行；通过优化OECT沟道W/L比获得了约1.8 mS的高跨导；MIP-OECT传感器在人工汗液中实现了0.36 nmol/L的超低检测限和良好的选择性；CWSCCM系统可在日常活动中实现连续、无线的汗液皮质醇监测，且结果与ELISA一致，成功捕获了皮质醇的昼夜节律和运动诱导的短暂升高。这些结果表明，计算化学与OECT技术的结合可有效解决传统生物亲和传感器不可再生和灵敏度不足的问题，并推动可穿戴传感器在真实人体场景中的应用。

本研究的结论是：提出了一种可扩展、全集成、多功能的可穿戴系统，可在活动和休息状态下进行汗液皮质醇原位连续监测。通过DFT辅助选择识别元件构建MIP-OECT传感器，证实了其再生能力在热力学上有利；通过丝网印刷工艺优化器件结构获得了高性能OECT；并将该传感器与离子电渗汗液诱导和微流控采样集成于无线系统中，成功进行了人体昼夜节律监测。该研究拓展了OECT技术在可穿戴电化学传感器中的应用边界，并提出了在识别元件受限条件下提升传感器性能的新范式。

本研究的主要亮点包括：其一，将DFT计算引入MIP识别元件的理性设计，系统比较了多种单体的结合能，并通过电场模拟证明了MIP原位再生的热力学可行性，为可穿戴传感器的可重复使用提供了理论依据。其二，采用低成本丝网印刷工艺批量制备OECT，并通过几何参数优化实现了与光刻工艺相当的高跨导，降低了系统制造门槛。其三，通过MIP-OECT的信号放大效应实现了85倍于传统电化学传感器的电流响应扩增，并获得了0.36 nmol/L的超低检测限，能够满足汗液中皮质醇的检测需求。其四，系统集成了离子电渗、微流控、无线电路和移动端应用，实现了从汗液诱导、采集、检测到数据输出的全流程自动化，为日常连续监测提供了设备原型。其五，通过一天内多次人体实验验证了系统在真实生理场景下捕获皮质醇昼夜节律和运动响应方面的可靠性，展示了闭环治疗和精准医疗应用的潜力。

此外，该研究还指出，唾液中的灵敏度低于汗液和PBS，可能是由于唾液中存在大分子蛋白质对信号的衰减作用。OECT在弯曲状态下性能稳定，表明其柔性多孔PEDOT:PSS层在低应变下可保持导电性。该研究的伦理审查已获得浙江大学动物实验伦理委员会批准（编号ZJU20240169），人体实验合规进行。上述内容为可穿戴皮质醇传感平台在实际应用中的潜在局限和工程化问题提供了有价值的经验。