设计和制造一种用于快速检测SARS CoV-2的电化学纳米生物传感器

《Biosensors and Bioelectronics: X》：Design and fabrication of an electrochemical nano-biosensor for the quick sensing of SARS CoV-2

快速检测SARS-CoV-2 Spike蛋白的电化学纳米筛传感器，通过传统和蛋白G介导抗体固定法实现nM至fM量级检测，GO-PCTE膜结构增强灵敏度和特异性，验证临床样本检测有效性。

　　### 生物传感器在疾病检测中的应用

在当今医疗领域，生物传感器技术正逐渐成为疾病检测和诊断的重要工具。随着对精准医疗和快速诊断需求的增加，科学家们不断探索新的材料和方法，以提高检测的灵敏度、特异性和效率。其中，二维材料因其独特的物理和化学特性，如高比表面积、优异的电导率和生物相容性，受到了广泛关注。特别是在检测病毒蛋白如SARS-CoV-2的S蛋白时，这些材料能够提供更精确和高效的手段。本文介绍了一种基于氧化石墨烯（GO）和聚碳酸酯微孔膜（PCTE）的新型纳米免疫传感器，旨在实现对SARS-CoV-2 S蛋白的快速、灵敏检测。

### SARS-CoV-2与检测技术的重要性

SARS-CoV-2，即导致2019年冠状病毒病（Covid-19）的病毒，因其传播速度快、感染范围广而成为全球公共卫生的重大挑战。在疫情初期，快速准确的检测对于控制疫情传播至关重要。传统的检测方法，如逆转录聚合酶链反应（RT-PCR），虽然具有高灵敏度和特异性，但其依赖于昂贵的实验室设备和专业的操作人员，检测时间较长，限制了其在基层医疗和现场快速诊断中的应用。因此，开发一种便携、快速且灵敏的检测方法成为迫切需求。

与此同时，免疫检测方法，如酶联免疫吸附测定（ELISA）和免疫荧光技术，虽然在临床中广泛应用，但其检测时间通常较长，且对样本的处理要求较高。此外，这些方法在某些情况下可能受到交叉反应的干扰，影响检测结果的准确性。为了克服这些局限性，研究人员开始关注纳米材料在生物传感器中的应用，以期提高检测的灵敏度和特异性。

### 石墨烯氧化物（GO）的优势

氧化石墨烯（GO）作为一种二维材料，因其可调控的表面性质、优异的电子转移能力和较大的比表面积，成为生物传感领域的理想材料。GO可以通过化学修饰进一步增强其功能化能力，使其能够有效结合特定的生物分子，如抗体。这种结合不仅提高了传感器的灵敏度，还增强了其对特定抗原的识别能力。在本研究中，GO被用作电化学平台，用于固定SARS-CoV-2特异性抗体，从而实现对S蛋白的高效检测。

### 实验设计与方法

为了构建这种纳米免疫传感器，研究团队首先通过改良的Hummers法合成GO。该方法通过强酸和氧化剂的处理，将石墨粉末转化为GO。合成的GO具有丰富的氧官能团，使其具备良好的水溶性和生物相容性。随后，将GO涂覆在PCTE膜上，形成GO-PCTE膜。PCTE膜具有微孔结构，能够作为离子流动的通道，而GO的涂覆则增强了膜的电化学性能。

为了提高抗体的固定效率和特异性，研究团队采用了两种方法：传统方法和蛋白G介导方法。传统方法通过EDC-NHS化学反应将抗体固定在GO表面，而蛋白G介导方法则利用蛋白G与抗体的Fc区域特异性结合，实现更精确的抗体定位。这种方法不仅提高了检测的灵敏度，还减少了非特异性结合的可能性，从而提高了检测的准确性。

### 实验结果与分析

实验结果显示，使用蛋白G介导方法固定的抗体在检测SARS-CoV-2 S蛋白时表现出更高的灵敏度。在传统方法中，检测限为3.6 nM，而在蛋白G介导方法中，检测限降至4.323 fM。这一显著的灵敏度提升得益于抗体在膜表面的更佳取向，使得其Fab区域能够更有效地与抗原结合。此外，通过测试非特异性蛋白如牛血清白蛋白（BSA）和流感病毒，研究团队验证了该传感器的特异性，发现这些非特异性蛋白对电流变化没有显著影响，进一步证明了传感器的选择性。

在临床样本检测中，该传感器能够有效区分Covid-19阳性样本和阴性样本，显示出良好的应用前景。通过将样本引入传感器系统，研究人员观察到了显著的电流变化，这表明传感器能够准确检测SARS-CoV-2 S蛋白的存在。此外，该传感器在短时间内（几秒钟）即可输出信号，显示出其在快速检测方面的潜力。

### 检测限与线性范围

研究团队确定了该传感器的线性检测范围为3.6 mM至3.6 aM，这一范围涵盖了从高浓度到极低浓度的SARS-CoV-2 S蛋白检测。在传统方法中，检测限为3.6 nM，而在蛋白G介导方法中，检测限显著降低至4.323 fM。这种灵敏度的提升使得该传感器能够检测到极低浓度的抗原，从而在早期感染阶段提供更准确的诊断信息。

### 其他相关研究的比较

与其他基于GO的免疫传感器相比，本文提出的传感器在检测灵敏度和特异性方面表现出色。例如，Sadique等人开发的GO-金纳米复合物传感器能够同时检测抗原和抗体，检测限分别为10.0 ag/mL至50.0 ng/mL和1.0 fg/mL至1.0 ng/mL。而Wasfi等人开发的基于GO的场效应晶体管（FET）传感器检测限为1 fg/mL，显示了其在低浓度检测中的优势。此外，Torrente-Rodríguez等人利用激光雕刻的GO传感器，能够实现多重检测，包括病毒感染、免疫反应和疾病严重程度的评估。

### 结论

本研究成功开发了一种基于GO的电化学纳米免疫传感器，能够快速、灵敏地检测SARS-CoV-2的S蛋白。该传感器通过两种方法固定抗体，其中蛋白G介导方法表现出更高的灵敏度和特异性。实验结果表明，该传感器在短时间内即可输出信号，显示出其在快速诊断中的潜力。尽管该传感器在实验室条件下表现出色，但进一步的改进和优化仍需进行，以确保其在实际应用中的稳定性和可靠性。因此，这种传感器有望成为便携式检测设备（POC）的重要候选之一，为Covid-19的早期检测和防控提供有力支持。