中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
生物分子的實(shí)時(shí)檢測對于體外診斷、疾病早期檢測以及日常健康監測和管理至關(guān)重要。類(lèi)固醇性激素如孕酮（P4）、雌二醇（E2）和睪酮等，雖然在體內濃度極低（< nM），但是在調節生長(cháng)發(fā)育和孕產(chǎn)中至關(guān)重要。在臨床實(shí)踐中，一般采用過(guò)程繁瑣且有創(chuàng )的血液樣本檢測來(lái)評估體內激素水平，需要專(zhuān)業(yè)人員與復雜的儀器設備。使用唾液進(jìn)行無(wú)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(shí)際臨床應用。此外，由于各種體液內激素含量存在差異且在不同時(shí)期有幾個(gè)數量級的波動(dòng)，對于極低檢測限、寬濃度范圍且操作簡(jiǎn)易的性激素檢測及動(dòng)態(tài)監測存在著(zhù)巨大需求空間。
近期，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院謝莊副教授課題組提出了一種三維微結構柔性高分子電極策略，實(shí)現了低成本亞飛摩爾級的性激素電化學(xué)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(wú)需使用離心等儀器，從而便于在家中進(jìn)行唾液檢測和監測整個(gè)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(jìn)激素抗體固定結合的金納米粒子（AuNPs）。這種簡(jiǎn)單的免疫傳感工作電極通過(guò)微針尖促進(jìn)分子擴散富集，可以在幾分鐘內經(jīng)由微分脈沖伏安法（DPV）的峰值電流下降，實(shí)現P4和E2在亞飛摩爾到微摩爾水平的高靈敏寬范圍電化學(xué)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(guò)電化學(xué)免疫傳感法居家監測唾液內孕酮（P4）和β-雌二醇（E2）的示意圖。該柔性可穿戴設備可利用微分脈沖伏安法（DPV）獲得對甾體類(lèi)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(guò)電位下，電解質(zhì)中的Fe(CN)???在微金字塔電極陣列周?chē)鷶U散的剖面有限元模擬結果；（C）單個(gè)微金字塔電極的三維局部電流密度分布以及隨著(zhù)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(guò)程對應的DPV變化圖；（D）檢測P4的DPV典型結果，檢測范圍從1 fM到1 μM。（E）微金字塔、微針尖和平面結構電極的DPV峰值電流變化（ΔI）隨P4濃度變化的標準曲線(xiàn)圖；（F）修飾E2抗體的免疫傳感器檢測E2的DPV曲線(xiàn)和標準曲線(xiàn)圖；（G）唾液中正常濃度的常見(jiàn)干擾物在免疫傳感電極上的歸一化DPV電流響應，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(xiàn)。（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(xiàn)。所有比例尺均1 cm。（C）將免疫傳感電極搭載到手套上進(jìn)行P4測試，結果表明手指彎曲對測量幾乎沒(méi)有干擾。相應的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，可用于女性健康監測。（B-D）離心處理后男性唾液樣本的唾液測試結果，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(xiàn)，以及100倍和1000倍稀釋樣本的校準曲線(xiàn)及檢測準確度。（E）通過(guò)無(wú)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(shí)的相應DPV曲線(xiàn)。（F）1000倍稀釋的男性唾液中加標E2的校準曲線(xiàn)圖。（G）通過(guò)無(wú)離心唾液測試，在4周內對1000倍稀釋女性唾液樣本中的P4和E2濃度水平進(jìn)行監測。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(xué)免疫傳感器實(shí)現了甾體類(lèi)激素的亞飛摩爾級水平檢測。通過(guò)利用3D微結構電極的傳質(zhì)增強原理，使檢出限降低1000倍，同時(shí)保持了寬的線(xiàn)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(lèi)唾液樣本中的超低濃度甾體類(lèi)性激素，同時(shí)以非侵入性和免離心的方式實(shí)現居家監測女性激素水平。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(jìn)行進(jìn)一步探索。從精確的臨床診斷和咨詢(xún)、生物活性物種的體內檢測到食品和環(huán)境中有害物質(zhì)的追蹤，這種超靈敏和柔軟的三維微結構電極平臺將為廣泛的應用奠定基礎。
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A(yíng)CS Nano期刊上。中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生李釗賢為第一作者，材料科學(xué)與工程學(xué)院謝莊副教授、中山大學(xué)附屬第一醫院生殖醫學(xué)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(xué)基金（22075325）、廣州市科技局（202002030434，2023A04J2177）與中山大學(xué)培育重點(diǎn)項目（23ptpy51）資助。
