Biosens. Bioelectron. |?深圳先進院開發(fā)C反應(yīng)蛋白的超靈敏陰極電化學(xué)發(fā)光免疫新策略
中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院科學(xué)儀器研究所(籌)惠允副研究員、羅茜研究員團隊與深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)王陶教授成功構(gòu)建了一種基于摻硼金剛石(BDD)電極和量子點納米球(QDNs)的超敏陰極電化學(xué)發(fā)光(ECL)免疫傳感器,用于C反應(yīng)蛋白(CRP)的超靈敏檢測。相關(guān)成果以Ultrasensitive cathodic electrochemiluminescence immunoassay for C-reactive protein enabled by boron-doped diamond electrodes and quantum dot nanospheres為題,發(fā)表于生物傳感領(lǐng)域頂刊Biosensors and Bioelectronics(IF: 10.5)。
捕捉極微量的生物標志物濃度變化,往往意味著對疾病早期發(fā)生與微小病灶的精準識別,這不僅是精準醫(yī)學(xué)的迫切需求,也是當前檢測技術(shù)面臨的核心挑戰(zhàn)。以臨床上常用標志物C反應(yīng)蛋白(CRP)為例,血清中CRP水平可評估炎癥水平和心血管疾病風險,而其高靈敏檢測尤其是針對局部微環(huán)境、微量樣本的檢測,則在早期預(yù)警心血管疾病中具有重要價值。
在現(xiàn)有的免疫檢測技術(shù)中,電化學(xué)發(fā)光(ECL)免疫分析憑借其信噪比高、時空可控性好和系統(tǒng)集成度高等優(yōu)勢脫穎而出。然而,常用的商品化電極如金、鉑、玻碳電極存在電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)遲緩的固有缺陷,成為進一步提升檢測靈敏度的瓶頸。陽極ECL免疫分析(如Ru(bpy)?2?/TPrA體系)在實際臨床樣本檢測中,易受抗壞血酸、尿酸等電活性物質(zhì)的氧化干擾,也使高靈敏度、寬動態(tài)范圍與強抗干擾能力這三者如同“不可能三角”較難以在同一平臺上兼得。
基于此,研究團隊設(shè)計采用一套“組合拳”新策略(圖1)。
首先,團隊摒棄了傳統(tǒng)易受干擾的商品化電極,轉(zhuǎn)而采用自制的摻硼金剛石(BDD)電極。通過熱絲化學(xué)氣相沉積工藝,在硅片上生長出一層致密的摻硼金剛石薄膜(圖2a),并精確調(diào)控硼摻雜濃度至3000 ppm——這一最優(yōu)配比在拉曼光譜、X射線衍射和電化學(xué)測試中均展現(xiàn)出卓越性能(圖2b–e)。得益于摻硼金剛石在水相中獨特的寬電位窗口、低背景電流和高穩(wěn)定性,BDD電極極大促進了與共反應(yīng)試劑間的電子轉(zhuǎn)移,將電化學(xué)發(fā)光信號強度提升了約5倍,同時憑借陰極工作模式,屏蔽了血清中尿酸、抗壞血酸等物質(zhì)的氧化干擾。
其次,團隊引入了量子點納米球作為發(fā)光標簽——每顆直徑約120納米的納米球內(nèi)密集封裝了大量CdSe@ZnS量子點,結(jié)合磁珠富集技術(shù),將血清中稀少的CRP靶蛋白精準捕獲并高效富集至電極表面,隨即在BDD電極觸發(fā)的陰極電化學(xué)發(fā)光反應(yīng)中釋放出強烈光信號(圖3):BDD電極在陰極電位下同時將過硫酸根(S?O?2?)還原為強氧化性硫酸根自由基(SO???)、將量子點納米球(QDN)還原為帶電自由基(QDN??),二者反應(yīng)使量子點躍遷至激發(fā)態(tài),隨后弛豫發(fā)光,產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光信號。
最終,這款傳感器在真實人血清樣本中表現(xiàn)卓越,檢測范圍橫跨8個數(shù)量級(350 fg/mL至35 μg/mL),既能捕捉健康人體內(nèi)的微量水平,也能覆蓋重癥患者的高濃度情況。其檢測性能更遠超臨床金標準化學(xué)發(fā)光法(圖4),同時具備優(yōu)異的選擇性、穩(wěn)定性與重現(xiàn)性。該工作不僅深入揭示了BDD增強陰極電化學(xué)發(fā)光的物理化學(xué)機制,更為臨床疾病標志物的精準定量提供了高性能通用平臺。未來,隨著集成BDD電極的微流控芯片進一步小型化自動化,有望從一滴血中捕捉到極微量的早期炎癥波動,為超早期診斷和干預(yù)爭取寶貴的黃金時間。
深圳先進院科儀所羅茜研究員、惠允副研究員、深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué)王陶教授為論文通訊作者,深圳先進院為第一單位。研究獲國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科技計劃等項目支持。

圖1?基于QDNs/K2S2O8/BDD體系的CRP電化學(xué)發(fā)光免疫傳感器示意圖

圖2?不同摻硼量BDD電極性能表征

圖3 ECL過程中的電子轉(zhuǎn)移機制

圖4商用化學(xué)發(fā)光(CL)方法原理示意圖及與本ECL方法對比
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