近日，来自深圳大学健康科学中心生物医学工程学院及深圳市龙岗中心医院的研究团队在期刊《Biosensors》上发表了一项重要研究成果，题为“便携式垂直石墨烯@金基电化学适体传感平台用于血液中tau蛋白的即时检测”。该研究由Yibiao Liu、Xingyun Liu、Mifang Li、Qiong Liu（通讯作者）和Tailin Xu（通讯作者）共同完成，论文于2022年7月25日正式在线发表。这项工作致力于开发一种用于阿尔茨海默病（Alzheimer‘s disease， AD）早期诊断和家庭健康监护的便携式、高灵敏度检测平台。
学术背景与研究目的
阿尔茨海默病（AD）是当前全球范围内最常见且危害严重的神经退行性疾病之一，给患者家庭和社会带来了沉重的负担。遗憾的是，目前仍缺乏有效的治疗方法。因此，实现AD的早期诊断、早期发现和早期干预，被视为减缓疾病进展、改善患者预后的关键有效策略。在AD的病理进程中，tau蛋白作为一种关键的生物标志物，其异常磷酸化和聚集形成的神经原纤维缠结是AD的核心病理特征之一。传统上，定量检测脑脊液（cerebrospinal fluid， CSF）中的tau蛋白是诊断AD的“金标准”。然而，脑脊液取样需要通过腰椎穿刺获取，过程具有侵入性、操作复杂且给患者带来不适，这极大地限制了其在临床筛查和长期监测中的广泛应用。
相比之下，血液检测具有无创、易获取、可重复性好等显著优势，是理想的替代或补充方案。然而，血液中tau蛋白的浓度极低，通常在皮克每毫升（pg/mL）水平，这已超出了传统酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay， ELISA）等常规方法的检测下限。因此，开发一种能够超灵敏、无创、便携且适用于即时检测（point-of-care testing， POCT）的tau蛋白定量装置，对于推动AD的早期筛查、病情监测以及个人健康管理具有迫切的现实意义和巨大的临床价值。
当前，针对tau蛋白的检测已发展出多种方法，包括表面等离子体共振（surface plasmon resonance， SPR）、表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy， SERS）、场效应晶体管（field-effect transistor， FET）、比色法、荧光法和电化学法等。其中，电化学生物传感器因其易于微型化、灵敏度高、成本低、响应快等特点，在居家健康监测和个人医疗保健领域展现出巨大潜力。特别是在新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情背景下，居家健康监测的需求日益增长，便携式传感器的价值更为凸显。然而，专门针对AD诊断的便携式电化学传感平台的报道仍然较少。
本研究的核心目的，正是为了填补这一空白。研究团队旨在开发一种集成的便携式电化学适体传感平台，用于实现血液中tau蛋白的高灵敏度、高选择性即时检测。该平台的核心创新在于采用了纳米金修饰的垂直石墨烯（vertical graphene@Au， VG@Au）作为工作电极材料，并整合了微型电化学工作站和智能手机，构建了一个完整的“传感-控制-输出”系统。
详细研究流程
本研究是一个系统的传感平台构建与性能评估工作，主要包含以下几个关键流程：电极材料的制备与表征、传感平台的构建与优化、分析性能（灵敏度、线性范围、检出限）测试、选择性（specificity）与稳定性（stability）评估，以及最终在临床血清样本中的实际应用验证。
1. VG@Au电极的制备与表征 首先，研究团队通过化学气相沉积（chemical vapor deposition， CVD）方法制备了垂直石墨烯（VG）。VG具有三维开放的多层片状结构，这种结构提供了巨大的比表面积和优异的导电性，有利于电子传递和生物分子的固定。为了进一步提升电极的导电性和电子转移速率，并为后续适体固定提供结合位点（金硫键，Au-S键），研究团队在VG表面通过电沉积法修饰了纳米金（nanoAu），从而得到VG@Au复合电极。
电沉积过程在含有10 mM氯金酸（HAuCl4）的0.5 M硫酸（H2SO4）溶液中进行，工作电压为-1.8 V。研究者系统性地优化了沉积时间（0 s， 20 s， 40 s， 80 s， 120 s， 160 s），以找到最佳的纳米金负载量。利用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy， SEM）对不同沉积时间下电极的表面形貌进行了表征。结果显示，未修饰的VG呈现典型的垂直取向片层结构。随着沉积时间增加，金纳米颗粒开始出现并逐渐形成由许多金颗粒组成的“纳米花”状结构。通过循环伏安法（cyclic voltammetry， CV）对电极的电化学活性面积进行评估发现，沉积80秒时，VG@Au电极的峰电流相比纯VG电极（约8.9 μA）显著增加至41.1 μA，表明其电化学活性面积和电子传导能力得到了极大提升。继续增加沉积时间，峰电流变化不大，因此最终选择80秒作为最优沉积时间。
进一步的横截面SEM观察和能量色散X射线光谱（energy dispersive x-ray， EDX）元素分布分析表明，纳米金主要沉积在VG片层的中上部区域，这种分布有利于充分利用VG的三维结构优势，增加有效反应面积。
2. 便携式传感平台的构建与分析性能测试 整个便携式传感系统由三部分组成：纸基三电极传感系统（尺寸：2 cm × 0.7 cm × 0.1 cm）、电化学微型工作站（控制与信号处理系统，尺寸：2 cm × 1 cm × 0.5 cm）以及智能手机（结果显示系统）。微型工作站通过蓝牙与智能手机连接，检测结果可在专用的手机应用程序（app）中实时显示。
传感界面的构建是通过在VG@Au工作电极表面逐层自组装完成的，具体步骤如下： （1）适体固定：将针对tau蛋白的DNA适体（aptamer）溶液滴加至VG@Au电极表面，在37°C下孵育1小时。适体通过其末端的巯基（-SH）与电极表面的金形成稳定的Au-S键，从而牢固地固定在电极上。通过差分脉冲伏安法（differential pulse voltammetry， DPV）监测发现，固定适体后，DPV峰电流显著下降，这是由于带负电的DNA适体骨架排斥电化学探针分子[Fe(CN)6]3−/4−，阻碍了电子转移，证明适体成功固定。 （2）封闭非特异性位点：使用巯基乙胺（mercaptoethylamine， MCH）溶液处理电极，以封闭电极表面未被适体占据的金位点，减少后续检测中非特异性蛋白质吸附带来的干扰。DPV信号显示，封闭后峰电流进一步降低。 （3）目标物捕获与检测：将含有不同浓度tau蛋白的样品滴加到修饰好的电极表面，在37°C下孵育1小时。当tau蛋白与固定的适体特异性结合后，适体的空间构象发生变化，在电极表面形成更大的空间位阻，更加严重地阻碍电子转移，导致DPV峰电流进一步减小。tau蛋白的浓度越高，电流下降值（ΔI）越大。
在优化实验条件时，研究团队发现适体浓度为10 μM时传感性能最佳。在此优化条件下，对一系列浓度梯度的tau蛋白标准品进行检测。DPV测试在含有5 mM [Fe(CN)6]3−/4−和0.1 M KCl的溶液中进行，扫描范围为-0.2 V至0.4 V。记录每个浓度对应的DPV峰电流变化值ΔI。
3. 选择性、稳定性及临床样本测试 为了评估传感平台的特异性，研究者测试了传感器对高浓度（10 ng/mL）潜在干扰物质（包括抗坏血酸、葡萄糖、人血清白蛋白、β-淀粉样蛋白）的响应，并与低浓度（10 pg/mL）tau蛋白的响应进行对比。结果证实，只有tau蛋白能引起显著的DPV信号变化，而干扰物质引起的信号变化微乎其微，表明该传感器具有优异的选择性。
稳定性测试通过连续14天检测同一浓度（10 pg/mL）的tau蛋白样品来完成。结果显示，14天后传感器的响应信号（ΔI）仍能保持初始值的90%以上，证明了该VG@Au基传感平台具有良好的稳定性。
最后，为了验证该平台的临床应用潜力，研究团队使用该便携式传感器检测了3份真实的临床血清样本，并将检测结果与专业AD血液检测公司Quanterix Co.， Ltd.提供的结果进行比对。检测前，血清样本用PBS缓冲液进行了适当稀释。
主要研究结果
1. 电极材料表征与优化结果 SEM和CV数据清晰地展示了VG@Au复合结构的形成过程及其优异的电化学特性。最优化的VG@Au（沉积80秒）电极具有最大的电化学活性面积和最快的电子传递速率，这为构建高灵敏度传感器奠定了坚实的材料基础。EDX元素映射图直观地显示了C元素和Au元素在三维空间中的分布，证实了纳米金成功地、选择性地修饰在VG的骨架上。
2. 分析性能结果 基于优化后的VG@Au电极和10 μM适体浓度，该便携式传感平台展现出了卓越的分析性能。DPV测试结果表明，传感器响应（ΔI）与tau蛋白浓度的对数值在0.1 pg/mL至1.0 ng/mL的宽范围内呈现出良好的线性关系。根据信噪比（S/N = 3）计算得出的检出限（limit of detection， LOD）低至0.034 pg/mL。这一性能指标与文献中报道的其他检测方法（包括多种电化学、FET、光化学和荧光方法）相比，具有明显优势（研究论文中提供了详细的对比表格）。尤为关键的是，该检出限远低于血液中tau蛋白的典型浓度水平（数pg/mL），充分满足了在血液中检测tau蛋白的灵敏度要求。
3. 选择性与稳定性结果 选择性实验的DPV信号对比图和数据柱状图明确显示，传感器对tau蛋白的响应远高于对其他干扰物质的响应，证明了适体识别的优异特异性以及MCH封闭的有效性。稳定性测试中，ΔI值在14天内的衰减曲线平缓，维持在较高水平，表明该传感器界面牢固，适体结合稳定，适合较长时间的储存和多次使用。
4. 临床样本验证结果 对3份临床血清样本的检测结果与Quanterix公司的商业化检测结果高度一致（见表2）。例如，样本1的传感器检测结果为2.19 ± 0.15 pg/mL，公司结果为2.08 ± 0.08 pg/mL，误差仅为+5.29%；样本2和样本3的误差也分别仅为+4.83%和-2.06%。这种良好的一致性有力地证明了该便携式自研传感器在真实复杂生物样本（血清）中检测tau蛋白的准确性和可靠性，具备了实际应用的潜力。
研究结论与价值
本项研究成功开发并验证了一种基于VG@Au的便携式电化学适体传感平台，用于血液中AD生物标志物tau蛋白的超灵敏、高选择性即时检测。
科学价值与应用价值：在科学层面，该研究巧妙地利用VG的三维大比表面积结构和纳米金的优异导电性及生物相容性，构建了高性能的电化学传感界面。适体作为识别元件，提供了高亲和力和高特异性。三者结合，从材料学和传感机制上实现了性能的突破。在应用层面，该平台将传感电极、微型化电化学工作站和智能手机终端无缝集成，实现了从样本检测到结果读取的全程便携化和智能化，符合现代即时检测（POCT）的发展趋势。它为AD的早期社区筛查、家庭健康监护、以及疗效动态评估提供了一种强有力的潜在工具，有望推动AD诊断从依赖中心实验室向分布式、个性化的模式转变。
研究亮点
其他有价值的内容
研究团队在讨论部分指出，该便携式电化学传感平台具有通用性潜力。其核心的VG@Au电极构建方法和系统集成框架，经过更换不同的生物识别元件（如适体或抗体），可以扩展到对其他疾病生物标志物（如葡萄糖、淀粉样肽等）的检测。作者表示，在后续工作中将利用此平台进行葡萄糖和淀粉样肽的检测探索。这预示着该平台技术有望成为一个通用的便携式生物传感开发平台，在更广泛的疾病诊断和健康监测领域发挥作用。