深圳先進(jìn)院研發(fā)新型傳感器 實現(xiàn)微量樣本毒品90秒快速篩查
毒品的非法流通與濫用是威脅全球公共衛(wèi)生與社會安全的重大隱患。甲基苯丙胺(METH,俗稱“冰毒”)是濫用最廣泛的合成毒品之一,具有極強(qiáng)的成癮性和神經(jīng)毒性。傳統(tǒng)檢測方法依賴氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等大型儀器,操作復(fù)雜、耗時長,且往往需要較大樣本量和繁瑣的前處理步驟,難以滿足禁毒一線對微量樣本進(jìn)行現(xiàn)場快速篩查的需求。開發(fā)一種能夠在微量生物樣本中實現(xiàn)快速、靈敏、精準(zhǔn)檢測的技術(shù),成為公共安全領(lǐng)域的迫切任務(wù)。
4月14日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(以下簡稱“深圳先進(jìn)院”)研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于MXene納米材料的電化學(xué)傳感平臺,可在90秒內(nèi)實現(xiàn)了對血清、唾液、尿液等微量樣本中METH的直接、高靈敏定量檢測,為毒品現(xiàn)場精準(zhǔn)篩查提供了全新方案。相關(guān)成果以"Rapid and Direct Detection of Methamphetamine in Biofluids using a MXene-Enabled Electrochemical Sensor"為題,作為封面論文發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Advanced Science。
深挖微觀機(jī)制:多維視角揭開“信號增強(qiáng)”之謎
為克服傳統(tǒng)傳感器對微量樣本響應(yīng)弱的問題,研究團(tuán)隊利用二維納米材料MXene構(gòu)建了高親和力敏感表面,并結(jié)合理論模擬與實驗驗證,系統(tǒng)解析了METH的信號產(chǎn)生和增強(qiáng)機(jī)制。
研究發(fā)現(xiàn),METH分子中的脂肪族仲胺基團(tuán)(-NH)是電化學(xué)氧化的核心活性位點。MXene的層狀結(jié)構(gòu)加速了電荷轉(zhuǎn)移,其豐富的表面官能團(tuán)有效增強(qiáng)了METH分子與電極表面的相互作用頻率與強(qiáng)度。二者協(xié)同促進(jìn)了METH的電化學(xué)氧化過程,放大響應(yīng)電流,顯著提升了傳感器對微量樣本的檢測靈敏度與信號穩(wěn)定性。這一機(jī)理研究為高性能電化學(xué)傳感器的理性設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。
打破“時間與樣本量壁壘”:90秒實現(xiàn)微量樣本精準(zhǔn)檢測
該電化學(xué)傳感平臺在實際測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的分析性能。檢測范圍覆蓋2 ng/mL至50 μg/mL,可同時滿足痕量篩查與高濃度驗證需求。單次檢測時間僅需90秒,實現(xiàn)了從傳統(tǒng)“小時級”實驗室分析到“分鐘級”現(xiàn)場快篩的技術(shù)跨越。
該平臺已成功應(yīng)用于血清、唾液、尿液等微量生物樣本中METH的直接定量分析。傳感器檢測性能滿足中國與美國對METH現(xiàn)場初篩的濃度閾值要求,尤其適用于樣本量有限、需快速精準(zhǔn)定量的執(zhí)法稽查、毒品監(jiān)管及公共衛(wèi)生監(jiān)測等場景。
跨所協(xié)作典范與未來展望
本研究是深圳先進(jìn)院內(nèi)部跨所協(xié)同創(chuàng)新的典范。醫(yī)工所傳感中心、醫(yī)工所醫(yī)學(xué)人工智能中心與腦所內(nèi)爾神經(jīng)可塑性諾獎實驗室緊密合作,形成了“材料-器件-機(jī)制-應(yīng)用”全鏈條閉環(huán)研究模式。
醫(yī)工所傳感中心楊慧研究員團(tuán)隊負(fù)責(zé)傳感器平臺的整體設(shè)計與構(gòu)建。團(tuán)隊開發(fā)了基于MXene納米材料的敏感界面,優(yōu)化了核心工藝與檢測參數(shù),完成了傳感器在血清、唾液、尿液等微量樣本中的性能評估,為快速、靈敏檢測提供了核心器件與系統(tǒng)方案。
醫(yī)工所醫(yī)學(xué)人工智能中心張翊正高級工程師團(tuán)隊承擔(dān)理論模擬與機(jī)制解析任務(wù)。團(tuán)隊利用密度泛函理論(DFT)和分子動力學(xué)模擬,系統(tǒng)揭示了METH分子在MXene界面的吸附行為、氫鍵相互作用模式及信號增強(qiáng)機(jī)理,從原子層面闡明了傳感器優(yōu)異性能的來源,為傳感界面的理性設(shè)計提供了理論依據(jù)。
腦所內(nèi)爾神經(jīng)可塑性諾獎實驗室朱英杰研究員團(tuán)隊負(fù)責(zé)動物模型構(gòu)建與真實生物樣本驗證。在深圳毒品聯(lián)合實驗室和可持續(xù)發(fā)展專項的支持下,團(tuán)隊建立了甲基苯丙胺(METH)靜脈注射的大鼠模型,采集給藥后的血清樣本,并完成傳感器檢測結(jié)果與質(zhì)譜(MS)參考方法的對比分析,驗證了傳感器在復(fù)雜真實生物基質(zhì)中的準(zhǔn)確性和實用性,推動了技術(shù)向禁毒一線應(yīng)用轉(zhuǎn)化。
三個團(tuán)隊優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)同攻關(guān),這一“理論研究—器件構(gòu)建—應(yīng)用驗證”一體化范式,顯著加速了新型毒品快檢技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程,解決了毒品現(xiàn)場快速檢測中靈敏度、分析速度、微量樣本適應(yīng)性之間的平衡問題,有力推動了檢測技術(shù)向現(xiàn)場化、即時化、精準(zhǔn)化方向發(fā)展,在公安禁毒、臨床診斷及公共衛(wèi)生等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
未來,研究團(tuán)隊將進(jìn)一步推進(jìn)傳感系統(tǒng)的微型化與智能化開發(fā),推動其與智能手機(jī)等移動終端的深度集成,旨在打造便攜式、即時化的智慧禁毒設(shè)備,為社會安全與公共健康保護(hù)提供技術(shù)支撐。
深圳先進(jìn)院醫(yī)工所傳感中心楊慧研究員、醫(yī)工所醫(yī)學(xué)人工智能中心張翊正高級工程師和腦所內(nèi)爾神經(jīng)可塑性諾獎實驗室朱英杰研究員為論文的共同通訊作者,博士后王日為論文第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、深圳市科技創(chuàng)新委員會以及云南省毒品成癮醫(yī)學(xué)技術(shù)創(chuàng)新中心的支持。

期刊內(nèi)封面圖

微觀相互作用機(jī)制:METH在MXene傳感界面的信號產(chǎn)生及信號增強(qiáng)機(jī)理研究

傳感器性能:90秒內(nèi)實現(xiàn)多種微量生物樣本中METH的精準(zhǔn)定量分析
附件下載: