中山大学周建华团队CEJ：麦穗状仿生石墨烯微电极柱，实现肺部感染病原真菌超快速裂解与精准检测

肺部真菌感染是一种由曲霉菌、隐球菌、肺孢子菌等真菌引起的支气管肺部疾病，全球每年患病人数超过200万人，致死率高达80%。快速精准的病原检测是降低死亡率的关键。现有核酸检测方法虽能实现灵敏检测，但受限于真菌细胞壁坚韧厚实的特性，真菌裂解与核酸提取步骤耗时繁琐，成为实现快速核酸检测的重要瓶颈。近日，中山大学生物医学工程学院周建华教授与中山大学附属第一医院陈培松教授团队在Chemical Engineering Journal期刊上发表研究成果，开发了一种基于旋转式麦穗状突刺石墨烯微电极（WSG）柱的电裂解装置，在36V低电压下仅45秒超快速裂解肺部病原真菌，裂解效率超过97%。结合多重PCR技术，可实现多种肺部感染真菌的同时检测，检测灵敏度达10³ CFU/mL。临床样本验证灵敏度达100%、特异性达96.9%，为肺部真菌感染的快速诊断提供了全新解决方案。

图1. 旋转麦穗状突刺石墨烯电极柱用于肺部病原真菌快速裂解与检测示意图

研究团队设计并通过激光直写技术在聚酰亚胺薄膜上制备出了具有麦穗状突刺结构的石墨烯微电极，其突刺尖端平均长度20 μm，曲率半径10±2 μm。仿真结果显示，当突刺结构与电极边缘夹角为90°时，局部电场强度最大，可达20.4 kV/cm，较非突刺电极提升约4.5倍，且电场强度均高于不可逆电穿孔的阈值（3.3 kV/cm）。

图2. 麦穗状突刺电极的制备与表征。

研究团队发现麦穗状突刺石墨烯电极增强的局部电场能显著提升电裂解时真菌的跨膜电位，相较于非突刺电极，跨膜电势可提升至2倍，在36V低电压下即可实现真菌细胞壁和细胞膜的不可逆电穿孔。相比非突刺电极，突刺电极的裂解效率从61.79%提升到91.25%，提升约30%，且功耗仅为非突刺电极的13%。

团队基于麦穗状突刺石墨烯微电极构建了全自动电裂解装置，集成了升降驱动、旋转驱动、电压控制和自动化控制四个模块。装置通过旋转样品管形成涡流，使真菌反复流经高场强区域，突破了电场的区域限制，在最优条件下（旋转10圈）真菌裂解率达97.21%。与传统临床方法相比，该装置在低真菌浓度下的裂解优势更为显著：10² CFU/mL浓度下裂解率92.36%（传统方法55.48%），10¹ CFU/mL浓度下仍保持90.05%的高裂解率（传统方法46.89%），具有减少临床检测中假阴性结果的潜力。实验结果表明，该装置结合多重PCR，能够实现曲霉菌、肺孢子菌以及新型隐球菌的快速裂解与检测，检测灵敏度达10³ CFU/mL，整体检测时间不超过1 h，缩短了临床检测时间。

图3. 电裂解装置的搭建、性能表征与应用。

研究团队收集了45例临床支气管肺泡灌洗液和痰液样本，以临床诊断结果为金标准，对比本方法与临床裂解-检测方法的检测结果。结果表明，本方法对临床常见肺部感染真菌的灵敏度达100%，特异性达96.9%。同时本方法成功检出4例传统临床方法漏检的阳性样本，提高了肺部感染病原真菌的检出率。通过ROC曲线分析，曲霉菌的ROC曲线下面积（AUC）达0.996，肺孢子菌的AUC达0.914，新生隐球菌的AUC达1.000，证明了本方法在肺部病原真菌检测中具有高度灵敏性和特异性。此外，该方法操作稳定性优异，不同操作者检测的Ct值相对标准偏差（RSD）<1%，重复检测结果高度一致。

图4. 临床样本的检测

总结

综上所述，研究团队成功构建了基于旋转麦穗状突刺结构石墨烯微电极柱的电裂解策略，通过仿生突刺结构实现局部电场4.5倍增强，实现36V低电压下45秒超快速裂解肺部病原真菌，裂解率超97%，且在低浓度病原样本中裂解效率显著优于传统方法。该电裂解技术结合多重PCR可同步检测三种常见肺部病原真菌，检测限低至10³ CFU/mL。通过45例临床样本的验证，该方法的灵敏度达100%、特异性达96.9%，且检出了传统临床方法漏检的4例样本，提升了临床检测的灵敏度与检出率。整个检测流程仅需60分钟，为肺部真菌感染快速精准诊断开创了全新裂解-检测协同范式，在临床紧急场景及低丰度病原检测中具有良好的应用潜力与转化价值。此外，该电裂解策略还可应用于细菌等其他细胞结构微生物的快速裂解，未来有望成为通用的快速前处理平台。

中山大学生物医学工程学院是论文的第一单位。中山大学生物医学工程学院博士后付荃莹和中山大学生物医学工程学院硕士生龚科晔为论文的共同第一作者。中山大学生物医学工程学院周建华教授、中山大学附属第一医院陈培松教授为该论文的共同通讯作者。本研究得到中山大学附属第一医院的大力支持。另外，本项目得到深圳市科技计划项目、广州市科技计划项目、广州市重点研发计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金的资助。

原文信息：

A rotating biomimetic graphene-microelectrode column for ultrafast electroporation-lysis and detection of pulmonary fungal pathogens

Quanying Fu, Keye Gong, Shaoqiong Feng, Xiaoqi Luo, Luteng Yang, Zi Ye, Jufeng Pan, Yuanyuan Feng, Jiasi Wang1, Peisong Chen*, Jianhua Zhou*

Chem. Eng. J., 2026, 534, 175159, DOI：10.1016/j.cej.2026.175159