Glassy Carbon Electrode-Integrated Microfluidic CD Platform for Point-of-Care Detection of SARS-CoV-2 Spike Protein and Prostate-Specific Antigen
本研究提出了一种低成本、便携式且超灵敏的集成玻璃碳电极离心微流控CD平台，该平台能够实现针对SARS-CoV-2刺突蛋白和前列腺特异性抗原的无标记双电化学检测，适用于即时检测应用。
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在现代医学世界中，在医院之外快速准确地诊断疾病是一项至关重要的目标。几十年来，医生一直依赖大型固定式机器来分析血液样本，这一过程通常需要将标本送往中央实验室，并等待数天才能获得结果。当时间紧迫时（例如在病毒爆发期间或监测缓慢发展的疾病时），这种延迟可能是危险的。为了解决这个问题，科学家们转向了微流控技术，这是一个致力于在微小芯片上操纵极少量流体的领域。想象一下一个缩小到硬币大小的实验室，泵、混合器和传感器直接内置在表面上。当结合旋转运动（类似于黑胶唱片机的运作方式）时，这些芯片可以利用离心力在不需要任何外部管路或电泵的情况下分离血液成分。这种被称为“圆盘实验室”（lab-on-a-disc）的方法，有望将全功能实验室的能力带到医生的诊室或偏远村庄，前提是其内部传感器足够灵敏，能够检测到疾病的微弱信号。
基于这一概念，研究人员 Naresh Mandal 和 Bidhan Pramanick 开发了一种新型诊断工具，它将这种旋转微流控技术与一种高灵敏度的电学传感器相结合。他们的研究工作详述于最近的一项研究，重点在于创造一种能够同时检测两种截然不同的健康威胁的设备：导致新冠肺炎（COVID-19）的 SARS-CoV-2 病毒刺突蛋白，以及前列腺特异性抗原（PSA，一种前列腺癌标志物）。他们发明的核心是一个由玻璃碳制成的微型电极，这种材料以其稳定性和高效导电能力而闻名。与可能需要复杂的化学标签来发光或变色的传统传感器不同，该设备通过测量电流在表面上的流动难易程度来工作。当特定的疾病标志物与传感器结合时，它就像一个微小的屏障，减缓电流。通过测量这种变化，该设备可以极其精准地识别病毒或癌症标志物的存在。
研究人员使用一种涉及在受控的无氧环境中燃烧特殊塑料薄膜的过程来构建这些传感器。这种被称为“热解”（pyrolysis）的技术将塑料转化为具有微观纹理的固体类玻璃碳结构，这种结构非常适合捕捉疾病标志物。随后，他们用抗体涂覆了这些碳表面，抗体是设计用来像分子磁铁一样工作的蛋白质，仅粘附于它们正在寻找的特定目标。对于一组传感器，他们使用了能与 SARS-CoV-2 刺突蛋白结合的抗体；对于另一组，则使用了能与前列腺特异性抗原结合的抗体。为了确保设备的可靠性，他们还添加了一层牛血清白蛋白，这是一种常用的蛋白质，用于阻断传感器上可能捕捉错误物质的粘性位点，从而确保仅检测到预期的目标。
真正的创新在于如何将这些传感器集成到一个透明塑料制成的旋转圆盘中。团队设计了一个微流控通道系统，允许将一滴全血放置在圆盘上。随着圆盘旋转，离心力将较重的红细胞推向外缘，而含有疾病标志物的较轻血浆则留在靠近中心的位置。这种分离是自动完成的，无需任何人工干预或外部泵。分离后的血浆随后流过嵌入圆盘中的玻璃碳传感器。由于这些传感器非常灵敏，它们可以检测到浓度低至 0.9844 fg/mL 的 SARS-CoV-2 刺突蛋白和 0.9682 pg/mL 的前列腺特异性抗原。这些数字代表了极其微小的量，远低于许多标准测试所能检测到的水平，从而实现了在疾病极早期阶段进行检测。
研究表明，该系统可以通过测量血浆流经传感器时的电学响应来测量其性能，当目标蛋白存在时，会提供清晰的信号。研究人员在广泛的浓度范围内（从极微量的痕量到更高水平）对设备进行了测试，发现其响应具有一致性和线性。这意味着该设备不仅能检测是否存在标志物，还能定量分析其含量，这对于监测感染进程或癌症进展至关重要。整个装置是自给自足的，不需要外部电源驱动流体移动，使其成为在电力或先进实验室设备匮乏之处进行即时检测（point-of-care）的理想选择。
虽然目前的工作侧重于使用制备样本对设备进行制造和测试，但结果为去中心化医疗提供了一条强大的路径。坚固的碳传感器与简单的旋转圆盘相结合，创造了一个低成本、便携且能够同时处理多种测试的平台。研究人员指出，下一步的工作将包括使用真实的患者血液样本对设备进行测试，以确认其在临床环境中的表现。通过证明这种高灵敏度、双用途的检测器可以在小型圆盘上构建并运行，这项工作为将先进的诊断能力带到世界上最偏远和资源有限的地区提供了切实可行的解决方案。
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