新型皮质醇电化学传感器的研究概括与进展

卓青青 邹黎萌 杨博翔

重庆市巴南区中医院 重庆 401320

引言

皮质醇作为一种类固醇激素，有影响脂质代谢和神经发育等功能。其在体内含量与许多精神状态如焦虑，抑郁等相关。当含量异常时会导致心理或身体健康失常等危害。检测皮质醇可通过体液如：汗液，唾液或尿液中的含量进行无创检测[1]。因皮质醇对精神状态的调节有重要作用，对其检测有重要价值。此外，皮质醇的检测方法较多，通常使用较多的为酶免疫法，电化学，光电化学免疫法等。而电化学因检测快捷，效率高，成本低廉，在皮质醇检测中运用广泛，通常采用差分脉冲伏安法（DPV），循环伏安法（CV），方波伏安法（SWV）等方法进行检测[2]。此外，新型的皮质醇传感器在检测中通常可使用导电材料来提高检测的灵敏度，并通过修饰皮质醇抗体进行免疫检测或通过电聚合等方式进行分子印迹检测，改善了传统检测不能定量，孵育时间长和不能重复检测等缺陷，此外还能开发出可无创实时检测的传感器，大大提高检测效率。

本综述通过电化学检测皮质醇中的免疫传感器，分子印迹传感器，基于碳材料传感器和可穿戴传感器四种传感器进行总结和分析来对皮质醇传感器的发展和前景进行评估。展现了电化学传感器检测皮质醇快捷灵敏，成本低廉等优势。体现了检测皮质醇的巨大潜力。

1 免疫传感器

免疫检测是最早用于检测皮质醇的方法，在20世纪70年代最早通过酶免疫法检测血清中的皮质醇。同时，还演化出其他一些物理和化学方式的检测方法，如：化学发光免疫测定，同位素免疫法和电泳免疫法等[3]，它们相比传统的检测方法更加灵敏和快捷，但存在定量检测不靠谱，不能多次检测且检测范围有限等缺陷。而电化学免疫检测通过抗体对抗原特异性识别并用电化学方法来测定分析物含量，采用电极通常有ITO电极，丝网印刷电极和玻碳电极等。基于反应有竞争性免疫反应和抗体-抗原结合反应等，能通过双重酶标记同时检测皮质醇和其他标志物来达到多检测的运用。

Jwan O Abdulsattar[4]等人首先在ITO电极表面修饰氨基，并将二茂铁羧基醛固定在ITO电极表面，通过二茂铁羧基醛和抗体游离氨基形成希夫碱反应相结合。通过抗体和皮质醇或可的松结合后的CV和SWV的电流发现其皮质醇检测极限为1.03pgml-1。有低成本优势，但存在孵育电极时间较长的问题。María Moreno-Guzmán[5]等人通过在氨基苯硼酸修饰丝网印刷碳电极表面进行双抗体的修饰，能竞争性免疫测定亲和反应，并测定酶反应产物的电化学氧化，在人血清的检测中回收率高，检测准确且快捷。而在竞争免疫传感器中，SatuKämäräinen[6]等人通过使用皮质醇-碱性磷酸酶共轭物并运用于电化学直接竞争免疫传感器来测定唾液中皮质醇含量。在丝网印刷电极表面修饰IgG抗体和皮质醇抗体，并用SWV检测。比皮质醇酶免疫测定试剂盒检测底线更低，检测快捷方便，但只能一次性检测，大大降低了检测的运用能力。

2 分子印迹传感器

分子印迹聚合物是利用分子印迹技术获得的高分子基质，是一种多功能的合成技术，可以模拟抗原-抗体的“锁匙机制”，高选择性地结合特定分析物。分子印迹聚合物的合成相较于大量抗体的获取，具有合成效益高﹑合成过程简单的优点，除此之外，还具有很高的稳定性，支持多次应用，越来越广泛地被使用在物质提取与检测方面[7]。

近几年来，越来越多的研究将分子印迹聚合物与电化学传感器进行集成，形成分子印迹传感器，相较于传统的MIPs展现出更大的潜力。分子印迹聚合物的合成遵循以下基本原理：将目标检测物质与具有聚合功能的单体在交联剂的作用下进行聚合并去除模板分子，形成可与皮质醇结合的大量模板空腔[8]。此外，分子印迹聚合物在皮质醇检测方面呈现出快速发展的趋势，在传感器的表面加入不同的物质能达到增强导电度和检测灵敏度的效果。ArpitGoyal[9]等人首次描述了一种由β-环糊精功能化的还原氧化石墨烯组成的皮质醇传感器，该传感器修饰有掺杂HCF内部氧化还原探针的皮质醇特异性聚吡咯MIP，用于生理样品中的皮质醇的电化学测定。所制备的传感器显示出对皮质醇检测的高灵敏度和高特异性。Gaye EzgiYılmaz[10]等人开发了金纳米颗粒修饰的皮质醇印迹(AuNP-MIP)传感器，用于放大信号并能实时测定溶液中的皮质醇。用3-（三甲氧基）甲基丙烯酸丙酯对传感器表面进行修饰，用功能单体n -甲基丙烯酰-组氨酸甲酯制备预配合物，加入金纳米颗粒放大传感器信号，同时提高了选择性。皮质醇检测研究中，分子印迹传感器在单体的选择上目前有很大的发展空间，在印迹表面加入石墨烯﹑金纳米颗粒等新材料可提高检测的准确性和高敏度。

3 基于碳材料传感器

基于碳材料的传感器由于良好的导电性在电化学检测皮质醇中的运用十分广泛。而对于碳材料的皮质醇传感器可分为基于碳纤维和碳导电材料等，在碳导电材料中一些如碳纳米管，石墨烯等。通常在碳纳米管的修饰中通过和其他金属材料进行结合，能很好提高检测效果和灵敏度。而在碳纤维中能通过使用碳纳米纤维，集合纤维和柔性纤维对人体皮质醇含量进行无创检测，并展现其良好的机械性和导电性。

Ziyu Huang[11]等人通过将多壁碳纳米管和有序介孔碳CMK-3及银纳米粒子固定在碳玻电极制备出夹心免疫传感器，极好的导电性提高了灵敏度降低了检测限，能无创检测唾液中皮质醇的含量。而在碳纤维的皮质醇检测中通常运用柔性导电织物作基底，GoeenJeong[12]通过静电纺丝制备了聚乙烯醇纳米纤维并沉积聚吡咯再进行热处理碳化，修饰皮质醇抗体。此外碳化后纤维的针状结构能提高抗体结合的表面积，能提高灵敏度，检测底线极低，且抗干扰性强。可用于皮质醇的实时检测。此外在导电碳丝上修饰金属材料将其功能化不仅提高了导电性还增加了皮质醇抗体的修饰位点。SekarMadhu[13]等人使用柔性碳丝并在表面修饰均匀垂直排列的氧化锌纳米棒，并通过静电作用固定皮质醇特异性抗体，能检测汗液样品中皮质醇浓度，有优异的生物相容性，能快速检测并体现了可穿戴检测运用的潜力。

4 可穿戴类型传感器

可穿戴式传感作为一种非侵入性监测工具，包括但不仅限用于持续监测血压﹑心率等相关生理参数，它在开发持续实时监测皮质醇水平的平台也发挥了重要意义。传统可穿戴式传感器多用刚性衬底。而柔性可穿戴式传感器基底材料多选用天然材料﹑合成聚合物﹑水凝胶等可弯折的新材料，如棉织物﹑PI﹑PEN﹑PET等。

该类传感器以可穿戴的方式检测汗液里的皮质醇含量。由于棉织物的高吸液性能提供更准确的结果以及棉织物衬底的柔软性和柔韧性能够增强附着在人体皮肤上的舒适性，棉织物衬底被广泛运用与制备该类传感器。例如，Samuel M.Mugo[14]等人用导电纳米多孔碳纳米管/纤维素纳米晶体（CNT/CNC）复合悬浮液﹑导电聚苯胺（PANI）以及用金纳米颗粒（AuNPs）及选择性皮质醇印迹涂在柔性棉纺织材料表面，具有集成丝网印刷三电极系统检测皮质醇。而一些选用柔性和可拉伸的弹性基质的传感器具有较强的抗变形能力。例如，Rujuta D.Munje[15]等人使用纳米多孔柔性基底，以氧化锌薄膜构成液体-半导体界面并形成电双层，通过测量和量化电双层在低正交定向交流电电场里内双层电容调制引起的阻抗变化来实现对汗液里的皮质醇的测量。

5 结束语

皮质醇是一种糖皮质激素，能反应精神状况。可通过电化学检测人体的不同体液并对其含量进行分析。相比于传统的免疫检测法，新型的皮质醇电化学传感器展现了更快速准确，可穿戴和实时检测等优势。本综述将皮质醇电化学检测传感器分为：免疫传感器﹑分子印迹传感器﹑基于碳材料传感器和可穿戴传感器。检测灵敏度高，抗干扰能力强，能对汗液或唾液等体液进行无创检测，为电化学检测皮质醇提供更多思路。综上不同的电化学传感器能对人体各种体液中的皮质醇含量进行无创检测，为临床检测患者精神状态或疾病提供参考，在临床运用的潜力巨大。