【材料】控制抗体在石墨烯表面的取向，实现高灵敏生物传感

在疾病的早期诊断和动态监测中，如何在复杂体液样本中精准识别极低浓度的生物标志物，一直是生物检测领域面临的核心挑战。近年来，基于石墨烯的电子生物传感器因其优异的电学性能和对界面微小扰动的高度敏感性，被认为是实现无创、即时检测（POCT）的理想技术路线之一。然而，一个长期被忽视却至关重要的问题，始终制约着其检测性能的进一步提升：抗体在石墨烯表面的取向失控。在传统的石墨烯免疫传感界面中，抗体往往以“躺平”、“侧躺”等随机方式吸附在材料表面，导致大量抗原结合位点被遮蔽，真正参与识别的有效抗体比例有限，从而造成检测灵敏度的损失。

图1. 石墨烯生物传感器表面连接的抗体在不同连接分子作用下可能呈现的多种取向示意图。

近日，北京协和医院细胞组织与生物医学工程平台团队联合帝国理工学院团队在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上发表最新研究成果，提出了一种通过分子结构设计调控抗体取向的全新策略，为高性能石墨烯免疫生物传感器的构建提供了关键突破。

研究团队引入了一种具有刚性大环结构的卟啉分子——四（对羧基）苯基卟啉（TCPP），作为石墨烯与抗体之间的新型连接分子。与常用的柔性链状分子（如 PBASE）不同，TCPP 能够在石墨烯表面形成稳定的 π–π 相互作用网络，并通过其刚性结构为抗体提供“支撑”，使抗体在界面上呈现出更为一致的“端朝上”垂直取向。实验与计算模拟结果均表明，这种定向排列显著提升了抗体可用于识别目标分子的有效比例。

当该界面工程策略应用于石墨烯场效应晶体管（GFET）免疫传感器时，器件性能获得了显著提升。在外泌体检测中，基于 TCPP 修饰界面的传感器相较传统方法实现了两个数量级的灵敏度提升，捕获到的外泌体密度提高超过三倍。更重要的是，该平台在真实临床样本中同样表现出优异性能，成功实现了胰腺癌患者血浆样本中外泌体标志物的高灵敏检测，验证了其临床应用潜力。

图2. 定向抗体修饰的石墨烯场效应晶体管实现对胰腺癌患者血浆中外泌体的高灵敏检测。（A） 原子力显微镜（AFM）表征结果：PBASE 和 TCPP 修饰的石墨烯在连接 GPC-1 抗体后，与胰腺导管腺癌（PDAC）患者血浆孵育 15 分钟后捕获的外泌体形貌。比例尺：1 μm。（B） 在 25 μm² 石墨烯表面区域内，由固定于 PBASE 和 TCPP上的 GPC-1 抗体所捕获的颗粒数量统计。（C） 采用 2 例健康人血浆和 2 例 PDAC 患者血浆进行测试的 GFET 生物传感器响应结果，显示 TCPP 修饰的 GFET 生物传感器具有优异的检测灵敏度和选择性（****P < 0.0001，n = 6）。数据以平均值 ± 标准差（SD）表示。

得益于其无创取样、检测快速、平台通用性强以及与半导体工艺兼容等优势，这一石墨烯免疫生物传感策略有望进一步发展为可携带、可量产的即时检测设备，为癌症、感染性疾病及神经退行性疾病等的早期诊断和长期监测提供新工具。

该研究成果近期发表于 Journal of the American Chemical Society。论文第一作者及通讯作者为北京协和医院转化医学院细胞组织与生物医学工程平台博士后尹天怡，胡毅主任和帝国理工大学高级研究员Sami Ramadan为通讯作者。

原文：

Control of Antibody Orientation on Graphene Using Porphyrin Linker Molecules for High-Performance Graphene-Based Immuno-Biosensors

Tianyi Yin*, Xi Xu, Zhiping Huang, Bruno Gil Rosa, David C. A. Gaboriau, Nabeel Merali, Meysam Keshavarz, Ahmad Nizamuddin Bin Muhammad Mustafa, Jiapeng Song, Sarah Alodan, Peter K. Petrov, Adam E. Frampton, Stephen J. Skinner, Neil Alford, Yi Hu*, Sami Ramadan*, Norbert Klein

J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 47638-47653, DOI: 10.1021/jacs.5c17186

研究团队介绍

尹天怡（第一作者与通讯作者）：中国医学科学院北京协和医院细胞组织与生物医学工程平台博士后、帝国理工学院博士。主要研究方向包括微纳传感与生物检测应用。

Sami Ramadan（通讯作者）：帝国理工学院工学院材料系高级研究员、英国纽卡斯尔大学电子工程系博士。主要研究方向包括二维材料、MEMS技术及其在传感检测中的应用。

胡毅（通讯作者）：中国医学科学院北京协和医院细胞组织与生物医学工程平台主任，研究员、博导。近年来主要从事纳米医学和肿瘤线粒体等方面的研究：发现了肿瘤内源性线粒体过热（Tumor Intrinsic Mitochondrial Overheating，TIMO）；开发了温度敏感型药物载体，应用于靶向肿瘤线粒体的药物递送；发展了一系列多重刺激响应型纳米材料，用于克服生理病理屏障，提高药物的靶向递送效率。