ウェアラブルセンサーが汗滴によるストレスレベルを測定

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ビデオ: “発汗”に注目したウェアラブルセンサ開発とイノベーション創出 2023, 1月
ウェアラブルセンサーが汗滴によるストレスレベルを測定
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コルチゾール分子の化学構造

科学者たちは、汗のサンプル中の人間の主要なストレスホルモンであるコルチゾールの濃度を迅速かつリアルタイムで測定できるウェアラブルセンサーを開発しました。提案されたデバイスは、コルチゾール分子と電気化学トランジスタにのみ反応する高分子膜で構成されています。このようなセンサーは人間の皮膚に取り付けられており、最新の実験装置と同等の精度で継続的な非侵襲的分析を可能にします、と科学者はサイエンス・アドバンシスに書いています。

ストレス、外傷、ショック状態では、動物の副腎皮質が糖質コルチコイドホルモンを放出し、体が失血やストレスに適応できるようにします。人間の主な糖質コルチコイドホルモンはコルチゾールです。血中濃度の上昇は血圧を上昇させ、血中のブドウ糖のレベルを上昇させ、骨髄の造血過程を強め、体内の免疫過程を調節します。コルチゾールは特定のストレスの多い状況に応じて放出されるため、そのレベルの測定値はストレスの指標として正確に使用されることがよくあります。しかし、実験室の条件でホルモンの濃度を測定することは時々数日かかることがあり、現在そのレベルのダイナミクスを分析するための正確な方法はありません(それは日中に繰り返し変化する可能性があります)。

コルチゾール濃度をリアルタイムで監視できるように、スタンフォード大学のアルベルトサレオが率いる米国とフランスの研究者グループは、血中ではなく汗滴中のレベルを測定することを提案しました。科学者たちは、迅速に測定するだけでなく、皮膚に取り付けて1日中着用できる非常にコンパクトなデバイスを使用して測定を行う方法を発見しました。

コルチゾール分子は帯電していないため、科学者たちは、ホルモンを定量化するために、形状がコルチゾール分子に完全に対応する細孔を備えた、この目的のために特別に合成された膜を使用することを提案しました。科学者たちは、テンプレート重合の方法を使用して、このような膜を作成することに成功しました。物質は、正しい形状を想定して、最初にテストコルチゾール分子の周りに縫い付けられ、その後、この分子が除去され、目的の形状の穴がポリマーに残ります。分析中、ホルモン分子はすでに汗滴からこれらの穴に埋め込まれているため、膜を通過する荷電イオンの輸送が制限されます。したがって、この膜が電気化学トランジスタに接続されている場合、電流の印加電圧への依存性は、結果としてホルモンの濃度を反映します。

科学者たちは、エラストマー基板上の膜とマイクロメートルの電気化学セルのこのようなセンサーシステムを小さなプラスチックチップに組み込んだため、片側の膜は一連のマイクロキャピラリーによって外部環境に接続されていました。次に、このチップを皮膚の表面に置き、汗の滴がそれに当たると、液体が毛細血管を通って感覚部分に送られ、それが細胞を流れる電流の変化につながり、これはホルモンレベルに対応しました。

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汗滴中のコルチゾールのレベルを測定するためのウェアラブルセンシングデバイスの図

提案されたアプローチの利点の1つは、科学者が継続的な非侵襲的分析の可能性を呼びかけています。そのため、科学者たちは血液ではなく汗をテスト液として選びました。その中のコルチゾールのレベルも体の状態を反映していますが、同時に、注射器を使用せずに皮膚の表面からサンプルを収集することが可能です。研究の著者によると、このようにして、ホルモンの濃度は、分析された汗サンプル中のコルチゾールの濃度に対応する、1マイクロモルから5ミリモル/リットルの範囲で決定することができます。

科学者は、最初に皮膚のマイクロ流体モデルでデバイスの効率をテストし、次に実際の条件で、テストデバイスを人間の皮膚に固定しました。測定精度は、ラボ分析の最新の方法のレベルであることが判明しました。近い将来、科学者たちは、すでに日常生活で使用できるプロトタイプデバイスを作成することを計画しています。

科学者によると、このようなデバイスは、病気の早期診断だけでなく、体の状態に対するスポーツ活動の影響を分析するためにも使用できます。また、このアプローチを使用すると、言葉で表現できない幼児の感情状態を監視できます。

コルチゾール濃度の測定は、科学研究でストレスレベルを測定するためによく使用されます。たとえば、科学者が自分の感情を理解し、周りで起こっていることを受け入れることを目的としたさまざまな精神的実践の利点を証明することができたのは、そのような分析の助けを借りてでした。また、野生のキツネザルのコルチゾールレベルを測定すると、高いストレスレベルと生存率の低下との間に関連性があることが示されています。

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