山东大学韩琳/张宇团队: 乳腺癌外泌体高灵敏检测的复合石墨烯芯片

背景介绍

外泌体是一种纳米级的细胞外囊泡，包含大量生物分子，如脂质、碳水化合物、蛋白质、 DNA 片段和 microRNA。由于外泌体在不同体液中展示特定的分子谱，因此肿瘤来源的外泌体被认为是有前途的癌症生物标志物。

作为外泌体上的一种膜蛋白， CD63 被认为是外泌体的特异性标记蛋白，并且通过糖基化调控在乳腺癌的恶性进展中发挥作用。因此，基于 CD63 膜蛋白的检测已成为乳腺癌鉴别的重要标志。

研究简介

近日，山东大学韩琳教授和张宇教授带领研究团队基于还原氧化石墨烯和 LIG 的一步掺杂，形成了稳定的 2D/3D 结构，构建了外泌体高灵敏度检测的生物传感芯片，实现了乳腺癌来源外泌体的高灵敏检测。

Figure 1. 生物传感芯片原理，包括 (A) 生物传感界面的修饰和 (B) 外泌体检测

rGO-LIG 作为本传感体系的核心基底材料，采用 Raman 光谱技术对其掺杂过程结构变化进行了表征。如图 2A 所示，LIG（曲线 a）存在石墨烯的 D、G 和 2D 特征谱带相匹配，证明 LIG 是少层的石墨烯结构。对于 rGO 的拉曼光谱（曲线 b），可以观察到石墨烯的 D、G 特征谱带。将 rGO 与 LIG 掺杂后，D 谱带与 G 谱带的比值增大，说明掺杂后的无序性增强，提示存在着大量的结构缺陷与边缘，这些缺陷有着较大的表面能不仅能提高电化学反应活性，而且还能作为电子转移的有效介质，从而能够赋予传感芯片良好的电导率和电催化活性。此外，通过对 rGO-LIG 复合材料随机采取 100 个点测试拉曼光谱来分析其均匀性，如图 2B 所示，其吸收峰的峰值的 RSD < 5%，说明材料均匀性良好。

Figure 2. (A) LIG (a)、rGO (b) 和 rGO-LIG (c) 的拉曼光谱；(B) 随机选取的 100 个 rGO-LIG 点的代表性拉曼光谱

该论文进一步研究了传感芯片的特性。首先，该生物传感芯片具有超高的灵敏度，如图 3A、3B 所示，捕获不同浓度的外泌体的交流阻抗值随着外泌体浓度的增加而增大，其浓度对数与阻抗值呈线性关系，检测限低至 166 particles/μL。不仅如此，该芯片还具有良好的信号重现性和储存稳定性，连续监测七个不同的传感芯片都获得了几乎相同的阻抗信号，其 RSD 值仅为 0.98%（图 3C），通过检测 8 天内五个捕获相同浓度外泌体的传感芯片来研究其稳定性，阻抗信号相比于初始值分别下降了 1.86%、4.39%、6.64% 和 8.24%，该结果表明所制备的传感芯片具有良好的稳定性。

为了验证该免疫生物传感芯片的临床检测能力，我们使用构建的生物芯片对临床血清样本进行了测试，结果如图 3E 所示，可以清楚地看出，乳腺癌患者血清中外泌体的表达明显高于健康人血清中外泌体的表达，其 P < 0.0001 是通过统计类分析得出的（图 3F），这是一个显著的差异，说明我们构建的传感芯片能够有效区分健康人与乳腺癌患者，具有潜在的医学应用价值。

Figure 3. (A) EIS 信号与外泌体浓度的关系；(B) EIS 信号与外泌体浓度对数呈线性关系；(C) 免疫生物传感器芯片的可重复性；(D) 免疫生物传感器芯片的存储稳定性；乳腺癌患者和健康人血清样本的 EIS 信号 (E) 和统计分类图 (F)

总之，该生物传感芯片具有良好的稳定性、重复性、精密度、准确度和可靠性，两种材料的掺杂形成了 2D/3D 结构，增加了电极表面的电活性面积，提高了电极的导电性，而 PEI-rGO 表面富含氨基，为抗体的固化提供了更多的结合位点，从而提高了检测灵敏度。此外，该传感芯片还成功地应用于临床样品的检测，在区分健康人与乳腺癌患者方面显示出一定的潜在应用前景。

该成果以“An rGO-doped laser induced graphene electrochemical biosensor for highly sensitive exosome detection”(《基于一步掺杂 rGO 的激光诱导石墨烯电化学生物传感芯片用于乳腺癌外泌体的高灵敏检测》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Sensors & Diagnostics 上。

论文信息

An rGO-doped laser induced graphene electrochemical biosensor for highly sensitive exosome detection

Xiaoshuang Chen, Xiaohui Yan, Jiaoyan Qiu, Xue Zhang, Yunhong Zhang, Hongpeng Zhou, Yujuan Zhao, Lin Han and Yu Zhang*（张宇，山东大学）

Sens. Diagn., 2024, 3, 1724-1732

https://doi.org/10.1039/D4SD00181H

作者简介

陈小双 博士研究生，本文第一作者，现为山东大学海洋研究院博士研究生，研究方向为微流控生物芯片的构建及其在生物分子检测中的应用。

张宇 教授，本文通讯作者，山东大学海洋研究院/集成电路学院教授、博士生导师，主要研究领域包括新型半导体材料与器件、生物传感材料与器件以及微纳传感系统。主持和参与了 10 余项包括国家重点科研、国家自然基金、省市级和产业化项目，在国际学术期刊上发表了 90 多篇 SCI 论文，申请 80 多项专利，其中 40 多项已获授权，在新型半导体材料器件和关键疾病筛查芯片技术领域实现了重大突破，并推动其技术的产业化。指导研究生多次获得国家奖学金，山东省优秀成果奖。多篇毕业论文被评为山东大学和山东省优秀毕业论文，他也多次被评为山东大学研究优秀毕业论文指导奖。