面向性激素居家監(jiān)測的亞飛摩爾級柔性傳感電極

生物分子的實時檢測對于體外診斷、疾病早期檢測以及日常健康監(jiān)測和管理至關(guān)重要。類固醇性激素如孕酮（P4）、雌二醇（E2）和睪酮等，雖然在體內(nèi)濃度極低（< nM），但是在調(diào)節(jié)生長發(fā)育和孕產(chǎn)中至關(guān)重要。在臨床實踐中，一般采用過程繁瑣且有創(chuàng)的血液樣本檢測來評估體內(nèi)激素水平，需要專業(yè)人員與復雜的儀器設(shè)備。使用唾液進行無創(chuàng)檢測一直是更受青睞的方案。然而，唾液中的游離激素僅占血液中總激素水平的1%?~ 2%，阻礙了唾液性激素檢測的實際臨床應(yīng)用。

此外，由于各種體液內(nèi)激素含量存在差異且在不同時期有幾個數(shù)量級的波動，對于極低檢測限、寬濃度范圍且操作簡易的性激素檢測及動態(tài)監(jiān)測存在著巨大需求空間。 近期，中山大學材料科學與工程學院謝莊副教授課題組提出了一種三維微結(jié)構(gòu)柔性高分子電極策略，實現(xiàn)了低成本亞飛摩爾級的性激素電化學免疫傳感。該傳感器能夠直接檢測高度稀釋的唾液樣本中的激素，無需使用離心等儀器，從而便于在家中進行唾液檢測和監(jiān)測整個女性月經(jīng)周期中的唾液P4和E2。

傳感器的核心是基于在微金字塔陣列涂覆摻雜三氟甲烷磺酰胺鋰（LiTFSI）的聚（3,4-亞乙基二氧噻吩）：聚（4-苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT:PSS）的導電高分子電極及用于促進激素抗體固定結(jié)合的金納米粒子（AuNPs）。這種簡單的免疫傳感工作電極通過微針尖促進分子擴散富集，可以在幾分鐘內(nèi)經(jīng)由微分脈沖伏安法（DPV）的峰值電流下降，實現(xiàn)P4和E2在亞飛摩爾到微摩爾水平的高靈敏寬范圍電化學檢測。

圖1 以PEDOT:PSS涂層的柔性微金字塔陣列作為工作電極，通過電化學免疫傳感法居家監(jiān)測唾液內(nèi)孕酮（P4）和β-雌二醇（E2）的示意圖。該柔性可穿戴設(shè)備可利用微分脈沖伏安法（DPV）獲得對甾體類激素的靈敏識別。

圖2 （A）涂覆PEDOT:PSS/LiTFSI的微金字塔陣列的SEM圖；（B）在過電位下，電解質(zhì)中的Fe(CN)???在微金字塔電極陣列周圍擴散的剖面有限元模擬結(jié)果；（C）單個微金字塔電極的三維局部電流密度分布以及隨著尺寸變化的電流和面積的增強比；（D-E）微金字塔陣列與平面PEDOT:PSS/LiTFSI電極的循環(huán)伏安法（CV）和DPV電流信號對比。

圖3 （A）免疫傳感電極的制備示意圖；（B）電沉積AuNPs（左）和孵育P4抗體（右）后的微金字塔PEDOT:PSS電極的SEM圖像；（C）電極修飾過程對應(yīng)的DPV變化圖；（D）檢測P4的DPV典型結(jié)果，檢測范圍從1 fM到1 μM。（E）微金字塔、微針尖和平面結(jié)構(gòu)電極的DPV峰值電流變化（ΔI）隨P4濃度變化的標準曲線圖；（F）修飾E2抗體的免疫傳感器檢測E2的DPV曲線和標準曲線圖；（G）唾液中正常濃度的常見干擾物在免疫傳感電極上的歸一化DPV電流響應(yīng)，表明免疫傳感電極具有良好的選擇性。

圖4 （A）微金字塔電極在10,000次重復彎曲循環(huán)后的CV峰值電流仍基本保持不變，彎曲曲率半徑為2 mm。插圖顯示了彎曲循環(huán)期間的典型CV曲線。（B）柔性免疫傳感電極在不同彎曲條件下檢測P4的標準曲線。所有比例尺均1 cm。（C）將免疫傳感電極搭載到手套上進行P4測試，結(jié)果表明手指彎曲對測量幾乎沒有干擾。相應(yīng)的DPV峰值電流變化可以忽略不計。（D）在4°C下保存14天期間，器件仍能檢測1 fM P4。

圖5 （A）免離心居家檢測唾液性激素的方案示意圖，可用于女性健康監(jiān)測。（B-D）離心處理后男性唾液樣本的唾液測試結(jié)果，包括在100倍稀釋唾液樣本中摻入各種濃度P4的DPV檢測曲線，以及100倍和1000倍稀釋樣本的校準曲線及檢測準確度。（E）通過無離心測試，在10 ~ 1000倍稀釋的男性唾液樣本中使用一系列加標P4溶液的典型電流響應(yīng)圖，分別標定出樣本本底P4。插圖顯示了測試1000倍稀釋樣品時的相應(yīng)DPV曲線。（F）1000倍稀釋的男性唾液中加標E2的校準曲線圖。（G）通過無離心唾液測試，在4周內(nèi)對1000倍稀釋女性唾液樣本中的P4和E2濃度水平進行監(jiān)測。不同的激素水平可表明月經(jīng)周期的不同階段，特別是可以預測中間短暫的排卵期。

綜上所述，這項工作基于PEDOT:PSS/AuNPs的3D微金字塔電極的柔性電化學免疫傳感器實現(xiàn)了甾體類激素的亞飛摩爾級水平檢測。通過利用3D微結(jié)構(gòu)電極的傳質(zhì)增強原理，使檢出限降低1000倍，同時保持了寬的線性范圍（亞fM ~ μM）。如此低的檢測限十分適用于檢測高度稀釋后的人類唾液樣本中的超低濃度甾體類性激素，同時以非侵入性和免離心的方式實現(xiàn)居家監(jiān)測女性激素水平。

所提出的用于提高檢出限和檢測范圍的3D微金字塔狀聚合物電極可以作為一種通用的生物傳感方法進行進一步探索。從精確的臨床診斷和咨詢、生物活性物種的體內(nèi)檢測到食品和環(huán)境中有害物質(zhì)的追蹤，這種超靈敏和柔軟的三維微結(jié)構(gòu)電極平臺將為廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

該成果日前以“Tip-Enhanced Sub-Femtomolar Steroid Immunosensing via Micropyramidal Flexible Conducting Polymer Electrodes for At-Home Monitoring of Salivary Sex Hormones”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上。中山大學材料科學與工程學院碩士生李釗賢為第一作者，材料科學與工程學院謝莊副教授、中山大學附屬第一醫(yī)院生殖醫(yī)學中心張麗梅博士為共同通訊作者。該研究受到國家自然科學基金（22075325）、廣州市科技局（202002030434，2023A04J2177）與中山大學培育重點項目（23ptpy51）資助。

編輯：黃飛

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