湖南大学开发“时序采样”可穿戴微流控芯片，实现汗液皮质醇动态监测
在运动、压力及其他生理状态变化过程中，人体汗液中的生物标志物会随时间发生动态变化。与血液等传统样本相比，汗液具有无创、易获取、适合连续采集等特点，因此近年来可穿戴汗液传感器受到广泛关注。然而，现有可穿戴汗液传感技术往往侧重于单个时间点或连续平均信号的检测，对于皮质醇等具有明显时间动态特征的生物标志物，仅依靠单点采样难以完整记录其变化过程。
据麦姆斯咨询介绍，近日，湖南大学研究团队提出一种集成“时序采样”功能的可穿戴微流控芯片。该系统利用可溶性聚合物阀门控制汗液在不同时间进入不同检测腔室，并结合基于适配体的荧光检测策略，实现运动过程中汗液皮质醇的动态监测。
相关研究成果已经以“Wearable Microfluidic Chip Integrated with Chrono-Sampling for Cortisol Detection in Sweat”为题发表于Analytical Chemistry期刊。
图1 集成时序采样功能的可穿戴微流控芯片
从“连续检测”走向“时序采样”
目前，实现汗液时序采样通常需要在微流控系统中引入多个储液区域和可编程流体控制单元，但外部驱动、复杂阀门以及供电需求可能增加可穿戴系统的尺寸和复杂度。
图2 聚合物阀门的可行性研究
针对这一问题，研究团队将可溶性聚合物阀门与纸基材料相结合，构建无需外部能源驱动的“时间阀门”。其核心思想，是将聚合物溶液滴加到滤纸上并干燥，形成能够阻断液体通路的聚合物膜。当汗液接触阀门后，聚合物逐渐溶解，原本被阻断的毛细通道重新开放，使汗液在预定时间进入相应检测区域。
这种设计将“时间控制”直接转化为材料的溶解动力学，从而避免了传统主动阀门所需的复杂驱动结构。
可穿戴微流控芯片的材料选择及结构设计
研究人员首先比较了聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）、聚苯乙烯磺酸（PSS）和透明质酸（HA）等水溶性聚合物的阀门性能。
实验显示，不同聚合物浓度能够显著影响阀门开启时间。其中，PSS表现出了较好的液体隔离能力以及更加连续、可调的开启时间。随着PSS浓度从10%提高至20%，阀门开启时间大致可以在10～60 min范围内调节。
图3 不同时间点打开的聚合物阀门光学图像
研究团队进一步构建了可穿戴微流控芯片。芯片由5层PET结构组成，并通过双面胶带进行组装，整体结构包括汗液入口、中央通道、多个分支通道、检测腔室、空气孔层和汗液出口等。
图4 微流控芯片的结构及尺寸
其中，中央通道负责引导汗液优先向前流动，而5个分支通道分别连接不同的检测腔室。每个分支通道设置一个PSS聚合物阀门，通过调节PSS浓度，使不同阀门在不同时间开启。
研究人员最终设置了5个采样时间点，使芯片能够按照预设时间顺序采集汗液样本。实验表明，不同浓度PSS制备的阀门能够按照预定顺序依次开启，并将对应时间段的汗液引入不同检测腔室。
结合智能手机成像实现皮质醇检测
研究团队在检测腔室中预存了用于皮质醇识别的荧光探针。其基本检测机制基于适配体与皮质醇之间的特异性结合，并通过DNA杂交链式反应等设计产生可检测的荧光变化。
芯片无需连接大型仪器，研究人员利用智能手机拍摄检测区域的荧光图像，再通过图像中的RGB信息计算荧光亮度，从而实现皮质醇浓度分析。
人工汗液实验显示，随着皮质醇浓度升高，检测区域的绿色荧光增强。该系统对皮质醇的检测限达到6 nM，而汗液中皮质醇的生理浓度约为20～400 nM，说明其检测范围能够覆盖人体汗液中的相关浓度区间。
运动实验验证动态检测能力
为了验证实际应用性能，研究人员将芯片固定在志愿者额头的运动头带上，并在运动过程中按照设定时间点采集汗液。
图5 利用所开发可穿戴微流控芯片捕捉运动过程中的动态汗液皮质醇图谱
结果显示，在部分志愿者中，汗液皮质醇水平总体呈现随运动时间延长而升高的趋势；在部分最终时间点，皮质醇水平出现下降，研究团队认为这可能与出汗量增加造成标志物稀释有关。这一结果也体现了时间序列汗液采样的价值：相比单一时间点检测，多时间点数据能够呈现更加完整的生理变化过程。
此外，研究人员进一步采集3名志愿者在不同运动时间点的汗液，并同时采用该微流控芯片和商业ELISA试剂盒进行检测。两种方法所得结果之间未观察到统计学显著差异，表明该可穿戴芯片具有较好的检测一致性。
结论及展望
该研究的核心价值并不仅在于检测皮质醇，更在于将“时间控制-样本采集-生化检测”集成到同一个可穿戴微流控平台中。通过材料自身的溶解动力学实现时间编程，芯片无需复杂电子控制和外部能源，就能够完成多个时间点的汗液采样。
目前该芯片主要面向单步反应检测，未来可以通过增加更多功能单元实现多步骤反应；同时，只需更换相应的识别探针和预存检测试剂，理论上可以拓展至其他汗液生物标志物。
这种基于可溶性材料实现“被动时间编程”的微流控架构，有望进一步推动汗液检测从“某一时刻的测量”向“整个生理过程如何变化”转变，为运动生理监测、个性化健康管理以及动态生物标志物分析提供一种新的技术路径。
