石墨烯纳米传感器通过眼泪检测生物标志物

在最近发表在Talanta杂志上的一篇文章中，研究人员展示了一种新方法，可以通过采用基于适配体的石墨烯亲和纳米传感器来特异性检测人类眼泪中的生物标志物。

研究：使用基于适配体的石墨烯亲和纳米生物传感器检测眼睛中的生物标志物。图片来源：Wallenrock/Shutterstock.com

检测和测量未稀释生理流体中生物标志物的能力允许纳米传感器在测量稀释不切实际的生物流体样品中的应用。

泪液生物标志物

泪液作为具有疾病生物标志物（包括代谢物，电解质，蛋白质和酶）的生物传感器越来越受到关注，这些生物传感器提供有关人类健康状况的信息。最近，开发了基于亲和力的生物传感器来检测疾病生物标志物。生物传感器中的亲和配体可以是识别靶分子的适配子或抗体。

由于适配子和石墨烯的突出特点，在石墨烯场效应晶体管（GFET）上实现的基于适配体的亲和纳米传感器受到了相当大的关注。它们允许在临床诊断中灵敏地检测从离子到蛋白质的各种分析物。石墨烯纳米传感器占地面积小，是眼泪中生物标志物的理想检测器。

基于适配体的石墨烯亲和纳米生物传感器

在本研究中，研究人员展示了一种通过使用基于适配体的石墨烯亲和纳米传感器来检测和测量未稀释人类眼泪中生物标志物的新方法。石墨烯场效应晶体管（GFET）中的石墨烯导电通道由聚乙二醇（PEG）纳米层保护，其选择的厚度抑制了非特异性分子的吸附。

用不同分子量的PEG修饰石墨烯限制了非特异性结合，使未稀释的生理液中的生物标志物检测具有特异性和选择性。实验结果表明，制备的纳米传感器具有检测肿瘤坏死因子α（TNF-α）（一种炎症细胞因子）的能力，检测限为0.34皮摩尔。

研究结果

研究人员最初通过使用没有PEG修饰的纳米传感器对磷酸盐缓冲溶液（PBS）中的生物标志物进行了测量。这里以TNF-α作为代表性的泪传标记物，通过将纳米传感器暴露于PBS中的TNF-α来测量转移特性曲线。随着TNF-α浓度从0.008纳米增加到125纳米摩尔，狄拉克点V_狄拉克从 27 毫伏降低到 2 毫伏。

生物标志物（TNF-α）结合的富含鸟嘌呤的适配体经历了构象变化，并通过折叠转化为紧凑而稳定的G-四链体。因此，蛋白质结合的带负电荷的适配体接近石墨烯表面，导致载流子浓度的重新分布，随着TNF-α浓度的增加，漏源电流增加。

在PBS中测试PEG修饰的纳米传感器和适配体用于生物标志物测量。结果表明，随着TNF-α浓度从0.008增加到125纳米摩尔，V_狄拉克（狄拉克点）用分子量为350道尔顿的PEG修饰的纳米传感器从39毫伏降低到9毫伏，表明适配体和TNF-α结合在石墨烯上引入了n型掺杂。

同样，在用分子量为1000和2000道尔顿的PEG修饰的纳米传感器中，随着TNF-α浓度从0.008增加到125纳米摩尔，V_狄拉克（狄拉克点）分别从55毫伏降至27毫伏和30至1毫伏。

归一化狄拉克点 （ΔV_狄拉克/ΔV_{狄拉克，最大值}）被用作传感器输出的代表，该输出是针对PEG修饰和非PEG修饰器件计算的，并进一步绘制为TNF-α浓度的函数。随着TNF-α浓度的增加，观察到更大浓度的适配体/TNF-α配合物，反映了传感器输出的增加。

拟合希尔-朗缪尔结合方程可以确定平衡解离常数K_D 非PEG改性纳米传感器的3.22纳米摩尔值。另一方面，K_D 发现分子量分别为350，1000和2000道尔顿的PEG的器件为2.17，2.89和2.86纳米摩尔。

上述K_D 结果表明，浅表PEG的存在对TNF-α与适配体之间的亲和力没有影响。然而，在任何给定的TNF-α浓度下，PEG修饰器件的输出大于非PEG修饰器件，这表明PEG修饰增加了石墨烯表面的Debye筛选长度。

结论

总之，研究人员展示了一种简单的方法，通过采用基于适配体的石墨烯纳米传感器，在眼睛中未稀释的眼泪中实现特异性和灵敏的TNF-α检测。

纳米传感器配置为GFET，其石墨烯表面用适配体和PEG进行修饰。适配体在识别TNF-α方面具有特异性，这诱导了石墨烯浓度的载流子变化。测量载流子变化确定了TNF-α的浓度。

PEG纳米层降低了非特异性吸附，从而提高了其特异性，这进一步取决于PEG的分子量。

因此，优化PEG分子量和附着方法可以对医疗保健应用中所需的未稀释生理流体中的其他生物标志物进行灵敏和特异性检测。

参考

Wang, Z., Dai, W., Yu, S., Hao, Z., Pei, R., De Moraes, C., Suh, L., Zhao, X. and Lin, Q., (2022). Towards detection of biomarkers in the eye using an aptamer-based graphene affinity nanobiosensor. Talanta, 250, p.123697. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0039914022004933?via%3Dihub