中国石油大学（华东）控制科学与工程学院，化学安全全国重点实验室--结合泡腾固相萃取技术的石墨烯电化学生物传感器用于多巴胺、抗坏血酸和尿酸的快速超灵敏同时检测

      你有没有想过，以后查身体里的多巴胺、尿酸这些指标，不用跑医院排队抽血，也不用等几小时出报告——只要往尿杯里丢两片“气泡药片”，再插一个U盘大小的检测器，手机上立刻就能看到结果？
       这不是科幻电影里的场景，而是中科院宁波材料所团队最新研发的生物传感技术，刚刚发表在传感器领域顶刊《Biosensors and Bioelectronics》上。它的核心秘密，就藏在这两片不起眼的泡腾片里。
为什么要测这三种“小东西”？
我们的身体里时刻流动着各种代谢物，其中多巴胺（DA）、抗坏血酸（AA，也就是维生素C）、尿酸（UA）是医生眼里的“健康信号灯”：

• 多巴胺是大脑的“快乐信使”，它的含量异常和帕金森病、精神分裂症直接相关，正常尿液里它的浓度只有10纳摩尔到1微摩尔级别，相当于在一游泳池水里找几粒盐；
• 尿酸是嘌呤代谢的产物，超标会引发痛风、糖尿病；
• 抗坏血酸则是免疫系统的“后勤兵”，缺了会得坏血病，多了也可能提示代谢异常。

过去要同时测这三个指标，得靠高效液相色谱这类大型仪器，设备贵、操作复杂，至少要几个小时才能出结果，很难做到“当场测、立刻知”。而电化学传感器虽然便携，却一直有个痛点：检测限不够低，尤其是痕量的多巴胺，很容易“漏检”。
泡腾片的“魔法”：让石墨烯自己动起来
这次的新技术，核心是一个叫泡腾固相萃取（ESPE）的创新设计，把两种泡腾片和石墨烯材料结合起来，完美解决了灵敏度的问题。
我们先认识一下主角：氧化石墨烯（GO）。它是石墨烯的“亲戚”，像一张单原子厚度的网，比表面积极大，1克GO展开能有上百平方米，是吸附小分子的一把好手。但过去的用法很“浪费”：把GO溶液滴在电极上烘干，片层会像受潮的纸一样堆叠在一起，大部分吸附位点都“闷在里面”用不上，检测灵敏度自然上不去。
研究团队换了个思路：能不能让GO自己“散开”，主动去抓目标分子？
他们把GO和食品工业常用的泡腾崩解剂（碳酸氢钠、酒石酸）压成了片剂。当你把它丢进尿液样本里，片剂遇水立刻发生酸碱反应，释放出大量二氧化碳气泡——就像你喝的泡腾片饮料一样。这些气泡会带着GO片层在溶液里快速翻滚、均匀分散，完全不需要搅拌或者超声设备。

注释：GO泡腾片遇水释放气泡，带动GO均匀分散吸附目标物；加入CTAB泡腾片后GO聚集，通过重力过滤收集在电极表面即可检测，全程无需外接电源。
短短1分钟，GO就充分散开，像无数张小网一样把尿液里的多巴胺、抗坏血酸、尿酸全部“捞”住。接下来第二个问题来了：怎么把这些小网从50毫升的尿液里“捞”出来？
如果直接过滤，GO片层太小（只有1微米左右），会直接穿过电极的孔隙。这时候就要用到第二片泡腾片：它含有一种叫CTAB的表面活性剂，丢进水里后会中和GO表面的负电荷，让原本互相排斥的GO片层立刻“抱团”，聚集成几十微米大的团簇——这个尺寸刚好能被特制的泡沫镍电极拦住。

注释：左图为泡沫镍电极表面生长的石墨烯层，可防止金属氧化干扰检测；中间为CTAB诱导GO聚集的过程，原本澄清的分散液很快变浑浊；右图为聚集后的GO团簇被截留在电极表面，滤液变得完全澄清。
整个过程加起来只需要5分钟，不需要插电，不需要复杂操作，哪怕没有专业背景的人也能完成。
灵敏度有多高？比传统方法高1000倍
研究人员测试发现，这套方法的灵敏度远超以往的所有石墨烯传感器：

• 只使用普通GO时，多巴胺的检测限能达到4.3纳摩尔，抗坏血酸160纳摩尔，尿酸18纳摩尔；
• 如果在GO表面再点缀上金纳米颗粒（增强导电性和吸附能力），检测限还能再降两个数量级：多巴胺低至80皮摩尔，抗坏血酸1.8纳摩尔，尿酸460皮摩尔。

这是什么概念？相当于在5升尿液里，哪怕只有不到1滴的目标分子，都能被精准捕捉到。这个性能是目前公开报道的石墨烯基传感器里最好的，比传统的滴涂法灵敏度高了足足1000倍。
为什么这么厉害？核心就是“动态接触”的优势：过去目标分子要靠布朗运动慢慢扩散到电极表面，概率很低；现在GO主动在溶液里翻滚，和目标分子的碰撞概率提升了好几个量级。测量数据显示，ESPE分散后的GO比表面积能达到98 m²/g，而滴涂法的电极比表面积只有0.01 m²/g，差距接近一万倍。
真的能用在生活里吗？
研究团队已经把这套系统做成了便携套装：除了两片泡腾片，还有一个U盘大小的微电化学工作站，和一个一次性的三电极传感器。工作站通过蓝牙和手机连接，打开APP就能设置参数、查看结果，连电源线都不需要。

注释：左上角为便携式ESPE试剂盒，包含泡腾片、电极和工作站；右上角为USB大小的微电化学工作站；左下角为手机端操作界面；右下角为实际尿液样本检测结果，与医院常用的高效液相色谱法结果吻合度达95%以上。
他们用7份真实的人体尿液样本做了验证，结果和医院的大型色谱仪几乎完全一致，平均回收率达到95.2%。更关键的是，电化学方法不怕尿液里的非电活性杂质干扰，哪怕是含量极低的 dopamine，也能清晰识别出信号，而色谱法很容易被这些杂质“掩盖”目标峰。
未来能用来做什么？
这项技术的潜力远不止测尿液里的三个指标。研究团队介绍，只要更换不同的吸附材料，这套ESPE平台可以适配几乎所有二维材料基的生物传感器，用来检测激素、药物残留、甚至病毒标志物。
未来它可能出现在这些场景里：

• 社区医院的慢病筛查：帕金森高危人群定期在家留尿检测，随时监控多巴胺水平；
• 痛风患者的日常管理：不用去医院抽血，在家就能测尿酸，及时调整饮食和用药；
• 偏远地区的基层医疗：设备便宜、操作简单，不需要专业人员，就能完成过去只有三甲医院才能做的检测。

从实验室里的精密仪器，到口袋里的便携套装，生物传感技术正在一步步打破医疗检测的时空限制。也许用不了多久，“丢两片泡腾片测健康”就会成为我们生活里的日常。
小知识：这项研究中的所有泡腾片原料都是食品级或分析纯试剂，安全性经过了严格验证，后续经过临床审批后就可以推向市场。如果你对这项技术感兴趣，也可以关注团队后续的转化进展哦~
https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117844


转自《石墨烯研究》公众号