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Sweat Sensor Detects Stress Levels; May Find Use in Space Exploration

如果有人现在问你压力有多大,你会怎么回答?一个小?很多吗?你不知道?

这些都是有效的回答,但它们对研究人员和医学专业人员并不是特别有用,因为它们是主观的,不容易量化。尽管如此,代替更好的测量压力的方法,多年来常用的方法是一份压力问卷。与问卷调查不同的是,血液测试可以提供定量数据,但需要训练有素的专业人员来抽血,而抽血过程本身的压力——用一根大针刺——可能会扭曲很多人的结果。

但更好的事情可能就在眼前。

加州理工学院(Caltech)医学工程助理教授魏高(Wei Gao)制造了一种无线汗液传感器,可以准确检测皮质醇水平。皮质醇是一种天然化合物,通常被认为是人体的应激激素。在发表在《Matter》杂志上的一篇新论文中,高和他的同事展示了他们是如何设计和制造这种可大规模生产的设备的,以及它是如何工作的,并证明了它在近实时检测皮质醇水平方面是有效的。

开发一种便宜而准确的测量皮质醇的设备,不仅可以更广泛、更容易地监测压力,还可以监测其他情况,包括焦虑、创伤后应激障碍和抑郁——所有这些都与皮质醇水平的变化有关。

Gao开发的传感器与他最近发明的另一种汗液传感器类似,可以测量血液中尿酸的水平,这对监测心血管疾病、糖尿病或肾脏疾病等情况很有用。这个汗液传感器,以及高和他的团队发明的新传感器,都是由石墨烯制成的,石墨烯是一种片状碳。用激光在塑料片上蚀刻出三维石墨烯结构,其中的小孔可以用来分析汗液。这些小孔在传感器中产生了大量的表面积,这使得传感器足够灵敏,可以检测出只存在于汗液中非常少量的化合物。在新的传感器中,这些微小的孔洞与抗体结合,抗体是一种免疫系统分子,对皮质醇特别敏感,因此可以检测到这种化合物。

传感器以两种不同的方式进行了测试。在一项测试中,研究人员分析了一名志愿者在六天内的出汗情况,并收集了代表皮质醇水平的数据。在一个健康的人体内,皮质醇水平按每日周期上升和下降。当一个人每天早上醒来后,这种水平就会达到峰值,然后在一天中下降,这正是传感器检测到的。

高说,这是第一次展示一种非侵入性监测皮质醇每日波动的传感器,并补充说,监测病人每天的皮质醇循环可以揭示精神健康状况的存在。

"他说,抑郁症患者的皮质醇昼夜节律与健康人不同。对于创伤后应激障碍患者,这是另一个不同的例子

在另一项测试中,皮质醇水平的变化被记录下来,因为它们是在应对急性压力时发生的。这是通过两个实验完成的。在第一组试验中,受试者被要求进行有氧运动,因为众所周知,剧烈运动会导致皮质醇水平大幅升高。在第二个实验中,实验对象被要求把手浸入冰水中,这是一种足以引起皮质醇释放的压力源。在两个实验中,传感器都能立即检测到皮质醇水平的上升。

我们的分析时间可能只有几分钟," Gao说。一般情况下,验血至少需要一到两个小时,而且需要抽血。对于压力监测来说,时间是非常重要的

尽管高的传感器可能会在地球上的典型医疗应用中找到许多用途,但它也在被审查潜在的世界之外的应用。今年10月,美国宇航局宣布,高是被选中参与深空任务中人类健康研究的六名研究人员之一。作为该计划的一部分,Gao将获得资金将传感器技术开发成一个监测宇航员压力和焦虑的系统,该计划由太空健康转化研究所(TRISH)管理。

" Gao表示,我们的目标是开发一种可穿戴系统,能够收集包括生命体征和分子生物标志物信息在内的多模态数据,从而获得深空压力和焦虑的准确分类。

这篇论文描述了传感器和Gao的发现,题为"使用基于石墨烯的无线移动健康系统研究人体汗液中的皮质醇动态,"发表在2月26日的网络版和4月的《物质》杂志上。合著者包括医学工程博士后学者Rebeca Torrente Rodriguez、Minqiang Wang和You Yu;医学工程研究生屠教兵,杨一然(18岁),闵继红(19岁),徐昌浩;无学位学生宋宇;访问助理崔叶;Waguih William Ishak,精神病学和行为神经科学教授,雪松西奈医学中心精神病学和行为神经科学部门的教育和研究副主任。

这项研究的资金由Rothenberg创新计划、Carver Mead新冒险基金、加州理工学院和希望之城生物医学研究计划以及美国国立卫生研究院提供。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.caltech.edu/about/news/sweat-sensor-detects-stress-levels-may-find-use-space-exploration