女性荷尔蒙(例如雌二醇)的个性化监测对于生育能力和女性健康很重要。然而，现有的方法常常要侵入性抽血和/或笨重的分析实验室设备，这使得它们很难在家里实施。在这里，加州理工学院高伟报告了一种基于目标诱导链位移的皮肤界面可穿戴适体纳米生物传感器，用于通过原位汗液分析自动和非侵入性监测雌二醇。无试剂、免扩增和“信号开启”检测的新方法与基于金纳米粒子MXene的检测电极相结合，提供了非凡的灵敏度和 0.14 pM的超低检测限。该完全集成的系统可以通过离子电渗疗法在静止状态下自动诱导出汗，通过毛细管爆破阀控制精确的微流体汗液采样，实时雌二醇分析和校准，并同时收集多变量信息(即温度、pH和离子强度)，以及信号处理和与用户界面(例如智能手机)的无线通信。数据表明，月经周期期间汗液雌二醇存在周期性波动，并且汗液雌二醇与血液雌二醇之间有高度相关性。该研究开辟了可穿戴传感器用于非侵入性、个性化生殖激素监测的潜力。该研究以题为“A wearable aptamer nanobiosensor for non-invasive female hormone monitoring”的论文发表在《

　　该研究制备了一种基于靶诱导链位移适配体开关的无线可穿戴传感器，用于原位自动电化学监测女性激素，具有亚皮秒级灵敏度。柔性传感器包含一个生物识别界面，该界面修饰有选择性识别雌二醇的脱氧核糖核酸(DNA)适配体，面向修饰有捕获单链DNA(ssDNA)的金纳米颗粒-MXene(AuNPs-MXene)基础检验测试工作电极，用于间接靶标检测。当传感器暴露在汗液等体液中时，雌二醇分子与雌二醇适配体竞争性结合，导致将与生物识别界面上的亚甲基蓝标记的单链DNA(MB-ssDNA)分子释放开来，然后通过互补DNA杂交被相对的检测工作电极捕获。通过在AuNPs-MXene工作电极上检测亚甲基蓝氧化还原信号实现对雌二醇的敏感和选择性定量分析。使用AuNPs-MXene能大大的提升亚甲基蓝还原的电子传输效率，实现超高灵敏度的分析。

　　该研究开发了一个完全集成的可穿戴系统，实现了对汗液中雌二醇的自动检验测试。该系统包括微流体电离模块，用于在静息状态下自主诱导和采集汗液(无需剧烈运动)，以及用于实时传感器校准的电位计pH传感器、电阻式皮肤温度传感器和阻抗式离子强度传感器(以减轻人际和/或个体间的变化的影响)，以及用于信号处理和无线通信的电子电路。微型化的可穿戴系统模块设计为机械柔性并贴合于人体皮肤上。该研究对该传感器进行了与黄金标准测量的验证，并在人体参与者中进行了个性化的女性激素分析，以分析月经周期。

　　图1 基于链置换适体开关的可穿戴纳米生物传感器，用于非侵入性无试剂女性生殖激素分析

　　无试剂的雌二醇传感器设计基于链替换适配体开关。在生物识别界面上，雌二醇适配体-单链DNA(ssDNA)被固定在AuNPs修饰的表面上，与一分部杂交的MB-ssDNA探针分子形成部分杂交双链，该探针分子充当竞争性氧化还原探针。通过方波伏安法(SWV)电化学测量，可以定量测量再捕获的MB-ssDNA探针分子的氧化还原信号。无试剂的“信号开启”检测的新方法结合高灵敏度的低背景SWV测量，为原位超低水平汗液雌二醇分析提供了非凡的灵敏性和适用性。

　　生物识别界面和检测工作电极通过可扩展的喷墨打印AuNPs制备，这为后续核酸修饰提供了高电化学活性表面积(ECSA)。在工作电极上，还喷墨打印了一层薄的MXene，以进一步提升传感器性能。与传统的丝网印刷相比，喷墨打印在这里具有多重优势，包括更低的成本(由于墨水消耗较少)、更低的样品污染风险、对打印纳米材料的精确空间和厚度控制以及由于多孔结构而实现的更高电活性表面积，以实现最佳雌二醇传感。此外，无试剂的方法提供了高灵敏度和适用性，用于原位超低水平汗液雌二醇分析。

　　为了实现原位自动汗液雌二醇分析，该研究设计了一种一次性传感器贴片。该贴片由一对装有卡巴考尔凝胶的喷墨打印碳电极组成，用于基于电离促进的自主汗液诱导；一个微流控模块，带有一个收集储液器和两个毛细爆裂阀(CBVs)，以精确控制汗液采样；以及一个微流控感测储液器中的多路喷墨打印传感器阵列，用于雌二醇定量和校准。诱导的汗液将通过进口进入微流控通道，流入并填充感测储液器；当感测储液器填满时，雌二醇分析将启动，而新分泌的汗液由于CBVs的毛细效应而被重新定向到出口。这种微流控阀门设计允许在静止的汗液基质中进行高度稳定的生物传感，不受汗液流动的影响。与大容量溶液分析相比，在微流控中操作时，雌二醇传感器的灵敏度和选择性没有明显降低。

　　基于一次性传感器贴片和可重复使用的柔性印刷电路板(FPCB)的组装，该研究开发了完全集成的可穿戴式雌二醇传感系统。一个完整的测量周期总共消耗大约1焦耳；一个容量为8毫安时的可充电3.8V锂硬币电池能够直接进行大约30个周期的工作。通过探索高效的可穿戴能量收集系统，例如生物燃料电池和太阳能电池，能轻松实现完全自供能的可穿戴系统。这款可穿戴贴片还具有高度的机械柔性，能与皮肤紧密贴合。它能够在不同弯曲半径下保持稳定的传感器响应，因此在日常活动中进行实际的在体监测非常有前景。

　　与侵入性和耗时的血液检测相比，利用可穿戴技术分析汗液中的雌二醇为远程在家女性激素监测提供了一种非常着迷的方法。为了验证传感器测量的汗液雌二醇的临床价值，该研究对两名健康女性参与者在连续的两个月经周期中进行了人体研究，同时监测尿液黄体生成素、体温和血液雌二醇。根据结果得出在月经周期中，汗液雌二醇呈周期性波动。此外，从初步研究中确定了汗液和血液雌二醇水平之间的强相关系数为0.837，表明汗液雌二醇作为一种非侵入性的生物标志物，在生育和排卵监测方面具备极高的潜力。

　　对于实时原位雌二醇分析的可穿戴技术的在体评估是在三名女性参与者中进行的，传感器贴片被紧贴皮肤。通过用户界面无线收集多路传感器数据。根据获得的多模态数据，校准的雌二醇水平实时转换并显示在自定义开发的移动应用程序中。预期地，在所有参与者中，第5天观察到最低的雌二醇水平，而第13天观察到最高值；由于月经周期中雌二醇的次要上升，第20天观察到适度的雌二醇水平。还对三名男性参与者进行了额外的对照研究；所有参与者的雌二醇水平非常低，并且无显著的波动。

　　这项工作展示了一种具有皮下摩尔灵敏度的适配子纳米生物传感器，用于汗液中女性激素雌二醇的超灵敏和无试剂穿戴分析。一种AuNPs-Mxene导电支架通过提高WE的电活性表面积和电荷转移效率来增强信号转导。为了自动进行身体监测，设计了一种完全集成的无线可穿戴系统，该系统结合了用于局部汗液刺激的离子导入水凝胶、用于汗液收集的微流体以及用于雌二醇传感和校准的功能化传感器。该研究之后发现汗液和血清雌二醇水平之间有必然的联系，而且在月经周期中汗液雌二醇水平有明显的周期性波动趋势。因此，该设备能方便地在家中监测生殖激素，并能重新配置，以监测其他针对各种个性化药物应用的痕量水平生物标志物。

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