如何知道你的工作壓力？用上這款可穿戴傳感器就知道了

　　壓力過度——21世紀的全球性流行疾病

　　世界衛生組織（World HealthOrganization, WHO）近年已經將壓力過度定義為21世紀新的全球流行病1。研究數據顯示，全球約有10.7%的人口被抑郁癥，焦慮癥，創傷后遺癥等心理疾病困擾2。此外，還有相當一部分人患有“亞”心理疾病或輕微心理異常。大約每三個人中，只有一個人可被列為心智健康。更有人稱，過度的壓力是疾病的根源。因此，迅速而有效的心理壓力檢測不僅有利于臨床心理疾病的診斷，更有助于人們進行有效的日常壓力管理，提高人的工作效率。

　　然而，現有的問卷式壓力調查存在主觀性偏差，不僅不能量化壓力，更不能及時有效地進行壓力監測與管理。通常，血液中的皮質醇（cortisol）含量可被用來量化人的壓力程度，因此皮質醇又被稱為壓力激素，在人們蘇醒后三十分鐘時分泌量達到最高峰，之后會慢慢下降，直到睡覺前達到最低水平。短期與長期的生理及心理壓力都會影響皮質醇的分泌；皮質醇下降幅度的快慢常被用來判斷人們壓力高低。人的汗液中含有微量的皮質醇。盡管汗液皮質醇在無創，及時壓力檢測方面有巨大的潛能，由于汗液采樣分析的難度及汗液中皮質醇的低濃度，此前并沒有研究能夠證實汗液皮質醇與壓力的相關性。

　　成果簡介

　　近日，加州理工學院高偉教授課題組開發了一種可大規模制備的柔性石墨烯免疫傳感器，用于監測汗液中的皮質醇濃度，進而實現實時評估精神壓力狀況3。

圖1. 全集成柔性無線汗液皮質醇監測平臺。

　　要點1：大規模石墨烯生物傳感器制備

　　在該工作中，作者利用激光刻蝕商業高分子膜進行大規模三維石墨烯電極制備，然后利用電聚合的方式進行方便，快捷的石墨烯表面修飾實現多模生物傳感器一次性制備。石墨烯優異的導電性為電子傳遞提供了良好的通道，且其超高的比表面積為固定更多生物識別位點提供了平臺，進而達到識別極微量生物標志物的目的。作者在緩沖溶液及兩種無創性體液（汗液和唾液）中測試了該設備的性能。并使用酶聯免疫吸附測定對大量汗液樣本的測試結果進行了驗證。

圖2. 石墨烯生物傳感器設計及性能測試。

　　要點2：全集成柔性無線汗液皮質醇監測平臺

　　作者進而將得到的柔性皮質醇傳感器與印刷電路板進行集成，得到的柔性設備尺寸僅為20×35×7.3 毫米，為可穿戴實時皮質醇測試提供了良好的借鑒作用。值得注意的是，考慮到實際使用中的各種環境及人為誤差，作者在同一平臺上集成可三個工作電極實現了統一誤差的最小化。基于傳感器表面修飾的普遍性，未來三個工作電極可被進一步改進為三個不同的免疫傳感器，從而更全面地檢測汗液中不同的應激激素。此外，作者針對性設計了微流控汗液收集模塊，且該設備在多次彎曲測試中表現出了良好的穩定性。

圖3. 全集成系統設計與彎曲測試。

　　要點3：汗液皮質醇的生理節奏

　　作者對一位受試者的汗液皮質醇進行了六天的連續跟蹤監測并發現其汗液皮質醇呈現與血液皮質醇生理節奏相似的晝夜節律。作者進一步將四位受試者的唾液及汗液與血清中的皮質醇進行比對，發現各體液中的皮質醇均呈現類似生理節奏。此外，該研究中的汗液皮質醇濃度與同時段采集的血液及唾液皮質醇濃度均呈現較強的相關性。

圖4. 汗液皮質醇生理節奏人體研究。

　　要點4：汗液皮質醇的應激反應

　　在發現汗液皮質醇與血液皮質醇的相關性之后，作者更進一步對汗液皮質醇的應激反應進行了動態研究。高強度體育訓練可增強體內皮質醇分泌。作者研究了四位受試者的汗液皮質醇并發現汗液皮質醇也呈現類似應激反應。而且汗液皮質醇的生理節奏對其應激反應程度也有所影響。

　　鑒于疼痛、焦慮與壓力有緊密的關系，作者利用臨床上用于疼痛控制研究的冷加壓實驗對受試者進行物理及心理刺激。在冷加壓實驗中，受試者需要將手腕關節以下浸于冰水中，三分鐘后取出。離子電滲透法被用于受試者以實現連續的人工發汗。作者對受試者在冷加壓前與冷加壓后約二十分鐘內的汗液皮質醇進行檢測并發現該實驗同樣引起汗液皮質醇濃度的上升。由此可見，汗液皮質醇對短期壓力刺激也可呈現應激反應。

圖5. 汗液皮質醇在物理刺激下的應激反應。

　　小結

　　作者利用激光刻蝕及電聚合大規模制備的方式開發了全集成柔性無線汗液皮質醇監測平臺。基于可量化制備及高靈敏石墨烯生物傳感器等優勢，作者進行了多樣初步人體實驗，發現汗液皮質醇與體內皮質醇有較強的關聯性并第一次在汗液皮質醇中監測到生理節奏以及應激反應。該研究為柔性可穿戴實時監測皮質醇濃度提供了良好的借鑒作用，并有望實現壓力過渡甚至抑郁癥的居家實時監測，為取代集中式醫院護理，實現個性化壓力監測與情緒管理指明了方向。