Electrochemical immunosensors for non-invasive and wearable cortisol and estradiol sensing
590.95 KB
avoin
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Lataukset43
Pysyvä osoite
Verkkojulkaisu
DOI
Tiivistelmä
The monitoring of steroid hormones such as cortisol and estradiol is important for understanding physiological processes related to stress, metabolism, and reproduction. Conventional hormone detection methods are typically based on single time-point measurements and rely on invasive sampling combined with laboratory-based analysis. As a result, they are incapable of continuous monitoring and cannot capture the dynamic fluctuations of hormone levels over time. This thesis reviews electrochemical immunosensors as an approach for non-invasive and wearable hormone sensing, with a focus on cortisol and estradiol detection. The sources in this thesis consist of scientific articles, review articles, research papers, and a textbook.
The working principles of biosensors, specifically antibody-antigen recognition and electrochemical detection, are described, and fabrication strategies based largely on carbon nanomaterials and surface modification are discussed. The key advantages of immunosensors include high selectivity and compatibility with miniaturization. Limitations include cross-reactivity between structurally similar steroids, sensitivity to environmental conditions, loss of activity over long-term usage, susceptibility to biofouling, and high production cost. Covalent and affinity-based immobilization provide superior stability and reproducibility compared to physical adsorption. Carbon nanomaterials offer high electrical conductivity, large surface area, mechanical flexibility, and compatibility with textile integration.
A comparison of recent studies shows that wearable electrochemical immunosensors for cortisol have been successfully demonstrated in biofluids such as sweat and saliva. The lowest detectable concentrations range from 10^{−5} to 10^{−2} pg/mL. In contrast, estradiol sensing remains largely limited to controlled laboratory conditions, with detection limits ranging from 0.3 to 10 pg/mL. The challenges are primarily driven by low analyte concentrations, along with limitations in device stability and calibration. Despite these limitations, electrochemical biosensors demonstrate strong potential for non-invasive hormone monitoring, with ongoing developments expected to improve their applicability in personalized healthcare, particularly in women’s health applications.
Steroidihormonien kuten kortisolin ja estradiolin seuranta on tärkeää stressiin, aineenvaihduntaan ja lisääntymiseen liittyvien fysiologisten prosessien ymmärtämiseksi. Perinteiset hormonien määritysmenetelmät perustuvat tyypillisesti yksittäisiin aikapisteisiin ja edellyttävät invasiivista näytteenottoa sekä laboratorioanalyysiä. Tämän vuoksi ne eivät mahdollista jatkuvaa seurantaa eivätkä pysty kuvaamaan hormonitasojen ajallisia vaihteluita. Tässä kandidaatintutkielmassa tarkastellaan sähkökemiallisia immunosensoreita ei-invasiiviseen ja puettavan hormoniseurannan menetelmänä, keskittyen kortisolin ja estradiolin havaitsemiseen. Työn lähteinä on käytetty tieteellisiä artikkeleita, katsausartikkeleita, tutkimusjulkaisuja ja yhtä oppikirjaa.
Tutkielmassa kuvataan biosensoreiden toimintaperiaatteita, erityisesti vasta-aine-antigeeni-tunnistusta ja sähkökemiallista havaitsemista, sekä käsitellään hiilinanomateriaaleihin ja pintamuokkaukseen perustuvia valmistusstrategioita. Immunosensoreiden keskeisiä etuja ovat korkea selektiivisyys ja yhteensopivuus miniatyrisoinnin kanssa. Rajoituksiin kuuluvat rakenteellisesti samankaltaisten steroidien aiheuttama ristireaktiivisuus, herkkyys ympäristöolosuhteille, aktiivisuuden menetys pitkäaikaisessa käytössä, altistus biofouling-ilmiölle sekä korkea kustannus. Kovalenttinen ja affiniteettipohjainen immobilisointi tarjoavat paremman stabiilisuuden ja toistettavuuden verrattuna fysikaaliseen adsorptioon. Hiilinanomateriaalit tarjoavat korkean sähkönjohtavuuden, suuren pinta-alan, mekaanisen joustavuuden ja yhteensopivuuden tekstiili-integraation kanssa.
Viimeaikaisten tutkimuksien vertailu osoittaa, että puettavat sähkökemialliset immunosensorit kortisolin havaitsemiseksi on onnistuneesti osoitettu biofluideissa, kuten hiessä ja syljessä. Alhaisimmat havaittavissa olevat pitoisuudet vaihtelevat välillä 10^{−5} - 10^{−2} pg/mL. Sen sijaan estradiolin mittaus on edelleen pääosin rajoittunut kontrolloituihin laboratorio-olosuhteisiin, ja sen havaintorajat vaihtelevat välillä 0,3 - 10 pg/mL. Keskeisiä haasteita ovat analyytin matalien pitoisuuksien lisäksi laitteen stabiilisuuteen ja kalibrointiin liittyvät rajoitukset. Näistä rajoituksista huolimatta sähkökemialliset biosensorit osoittavat merkittävää potentiaalia ei-invasiivisessa hormoniseurannassa. Jatkuvan kehityksen odotetaan parantavan niiden sovellettavuutta yksilöllisessä terveydenhuollossa, erityisesti naisten terveyteen liittyvissä sovelluksissa.