新型皮質醇電化學傳感器的研究概括與進展

卓青青 鄒黎萌 楊博翔

重慶市巴南區中醫院 重慶 401320

引言

皮質醇作為一種類固醇激素，有影響脂質代謝和神經發育等功能。其在體內含量與許多精神狀態如焦慮，抑郁等相關。當含量異常時會導致心理或身體健康失常等危害。檢測皮質醇可通過體液如：汗液，唾液或尿液中的含量進行無創檢測[1]。因皮質醇對精神狀態的調節有重要作用，對其檢測有重要價值。此外，皮質醇的檢測方法較多，通常使用較多的為酶免疫法，電化學，光電化學免疫法等。而電化學因檢測快捷，效率高，成本低廉，在皮質醇檢測中運用廣泛，通常采用差分脈沖伏安法（DPV），循環伏安法（CV），方波伏安法（SWV）等方法進行檢測[2]。此外，新型的皮質醇傳感器在檢測中通常可使用導電材料來提高檢測的靈敏度，并通過修飾皮質醇抗體進行免疫檢測或通過電聚合等方式進行分子印跡檢測，改善了傳統檢測不能定量，孵育時間長和不能重復檢測等缺陷，此外還能開發出可無創實時檢測的傳感器，大大提高檢測效率。

本綜述通過電化學檢測皮質醇中的免疫傳感器，分子印跡傳感器，基于碳材料傳感器和可穿戴傳感器四種傳感器進行總結和分析來對皮質醇傳感器的發展和前景進行評估。展現了電化學傳感器檢測皮質醇快捷靈敏，成本低廉等優勢。體現了檢測皮質醇的巨大潛力。

1 免疫傳感器

免疫檢測是最早用于檢測皮質醇的方法，在20世紀70年代最早通過酶免疫法檢測血清中的皮質醇。同時，還演化出其他一些物理和化學方式的檢測方法，如：化學發光免疫測定，同位素免疫法和電泳免疫法等[3]，它們相比傳統的檢測方法更加靈敏和快捷，但存在定量檢測不靠譜，不能多次檢測且檢測范圍有限等缺陷。而電化學免疫檢測通過抗體對抗原特異性識別并用電化學方法來測定分析物含量，采用電極通常有ITO電極，絲網印刷電極和玻碳電極等。基于反應有競爭性免疫反應和抗體-抗原結合反應等，能通過雙重酶標記同時檢測皮質醇和其他標志物來達到多檢測的運用。

Jwan O Abdulsattar[4]等人首先在ITO電極表面修飾氨基，并將二茂鐵羧基醛固定在ITO電極表面，通過二茂鐵羧基醛和抗體游離氨基形成希夫堿反應相結合。通過抗體和皮質醇或可的松結合后的CV和SWV的電流發現其皮質醇檢測極限為1.03pgml-1。有低成本優勢，但存在孵育電極時間較長的問題。María Moreno-Guzmán[5]等人通過在氨基苯硼酸修飾絲網印刷碳電極表面進行雙抗體的修飾，能競爭性免疫測定親和反應，并測定酶反應產物的電化學氧化，在人血清的檢測中回收率高，檢測準確且快捷。而在競爭免疫傳感器中，SatuK?m?r?inen[6]等人通過使用皮質醇-堿性磷酸酶共軛物并運用于電化學直接競爭免疫傳感器來測定唾液中皮質醇含量。在絲網印刷電極表面修飾IgG抗體和皮質醇抗體，并用SWV檢測。比皮質醇酶免疫測定試劑盒檢測底線更低，檢測快捷方便，但只能一次性檢測，大大降低了檢測的運用能力。

2 分子印跡傳感器

分子印跡聚合物是利用分子印跡技術獲得的高分子基質，是一種多功能的合成技術，可以模擬抗原-抗體的“鎖匙機制”，高選擇性地結合特定分析物。分子印跡聚合物的合成相較于大量抗體的獲取，具有合成效益高﹑合成過程簡單的優點，除此之外，還具有很高的穩定性，支持多次應用，越來越廣泛地被使用在物質提取與檢測方面[7]。

近幾年來，越來越多的研究將分子印跡聚合物與電化學傳感器進行集成，形成分子印跡傳感器，相較于傳統的MIPs展現出更大的潛力。分子印跡聚合物的合成遵循以下基本原理：將目標檢測物質與具有聚合功能的單體在交聯劑的作用下進行聚合并去除模板分子，形成可與皮質醇結合的大量模板空腔[8]。此外，分子印跡聚合物在皮質醇檢測方面呈現出快速發展的趨勢，在傳感器的表面加入不同的物質能達到增強導電度和檢測靈敏度的效果。ArpitGoyal[9]等人首次描述了一種由β-環糊精功能化的還原氧化石墨烯組成的皮質醇傳感器，該傳感器修飾有摻雜HCF內部氧化還原探針的皮質醇特異性聚吡咯MIP，用于生理樣品中的皮質醇的電化學測定。所制備的傳感器顯示出對皮質醇檢測的高靈敏度和高特異性。Gaye EzgiY?lmaz[10]等人開發了金納米顆粒修飾的皮質醇印跡(AuNP-MIP)傳感器，用于放大信號并能實時測定溶液中的皮質醇。用3-（三甲氧基）甲基丙烯酸丙酯對傳感器表面進行修飾，用功能單體n -甲基丙烯酰-組氨酸甲酯制備預配合物，加入金納米顆粒放大傳感器信號，同時提高了選擇性。皮質醇檢測研究中，分子印跡傳感器在單體的選擇上目前有很大的發展空間，在印跡表面加入石墨烯﹑金納米顆粒等新材料可提高檢測的準確性和高敏度。

3 基于碳材料傳感器

基于碳材料的傳感器由于良好的導電性在電化學檢測皮質醇中的運用十分廣泛。而對于碳材料的皮質醇傳感器可分為基于碳纖維和碳導電材料等，在碳導電材料中一些如碳納米管，石墨烯等。通常在碳納米管的修飾中通過和其他金屬材料進行結合，能很好提高檢測效果和靈敏度。而在碳纖維中能通過使用碳納米纖維，集合纖維和柔性纖維對人體皮質醇含量進行無創檢測，并展現其良好的機械性和導電性。

Ziyu Huang[11]等人通過將多壁碳納米管和有序介孔碳CMK-3及銀納米粒子固定在碳玻電極制備出夾心免疫傳感器，極好的導電性提高了靈敏度降低了檢測限，能無創檢測唾液中皮質醇的含量。而在碳纖維的皮質醇檢測中通常運用柔性導電織物作基底，GoeenJeong[12]通過靜電紡絲制備了聚乙烯醇納米纖維并沉積聚吡咯再進行熱處理碳化，修飾皮質醇抗體。此外碳化后纖維的針狀結構能提高抗體結合的表面積，能提高靈敏度，檢測底線極低，且抗干擾性強。可用于皮質醇的實時檢測。此外在導電碳絲上修飾金屬材料將其功能化不僅提高了導電性還增加了皮質醇抗體的修飾位點。SekarMadhu[13]等人使用柔性碳絲并在表面修飾均勻垂直排列的氧化鋅納米棒，并通過靜電作用固定皮質醇特異性抗體，能檢測汗液樣品中皮質醇濃度，有優異的生物相容性，能快速檢測并體現了可穿戴檢測運用的潛力。

4 可穿戴類型傳感器

可穿戴式傳感作為一種非侵入性監測工具，包括但不僅限用于持續監測血壓﹑心率等相關生理參數，它在開發持續實時監測皮質醇水平的平臺也發揮了重要意義。傳統可穿戴式傳感器多用剛性襯底。而柔性可穿戴式傳感器基底材料多選用天然材料﹑合成聚合物﹑水凝膠等可彎折的新材料，如棉織物﹑PI﹑PEN﹑PET等。

該類傳感器以可穿戴的方式檢測汗液里的皮質醇含量。由于棉織物的高吸液性能提供更準確的結果以及棉織物襯底的柔軟性和柔韌性能夠增強附著在人體皮膚上的舒適性，棉織物襯底被廣泛運用與制備該類傳感器。例如，Samuel M.Mugo[14]等人用導電納米多孔碳納米管/纖維素納米晶體（CNT/CNC）復合懸浮液﹑導電聚苯胺（PANI）以及用金納米顆粒（AuNPs）及選擇性皮質醇印跡涂在柔性棉紡織材料表面，具有集成絲網印刷三電極系統檢測皮質醇。而一些選用柔性和可拉伸的彈性基質的傳感器具有較強的抗變形能力。例如，Rujuta D.Munje[15]等人使用納米多孔柔性基底，以氧化鋅薄膜構成液體-半導體界面并形成電雙層，通過測量和量化電雙層在低正交定向交流電電場里內雙層電容調制引起的阻抗變化來實現對汗液里的皮質醇的測量。

5 結束語

皮質醇是一種糖皮質激素，能反應精神狀況。可通過電化學檢測人體的不同體液并對其含量進行分析。相比于傳統的免疫檢測法，新型的皮質醇電化學傳感器展現了更快速準確，可穿戴和實時檢測等優勢。本綜述將皮質醇電化學檢測傳感器分為：免疫傳感器﹑分子印跡傳感器﹑基于碳材料傳感器和可穿戴傳感器。檢測靈敏度高，抗干擾能力強，能對汗液或唾液等體液進行無創檢測，為電化學檢測皮質醇提供更多思路。綜上不同的電化學傳感器能對人體各種體液中的皮質醇含量進行無創檢測，為臨床檢測患者精神狀態或疾病提供參考，在臨床運用的潛力巨大。