通过整合纳米酶介导的电化学检测方法和智能手机可读取的比色检测方法，实现肌肽的双模式智能传感

《Biosensors and Bioelectronics》：Dual-mode smart sensing of sarcosine by integrating nanozyme-mediated electrochemical and smartphone-readable colorimetric assays

双模生物传感器基于Rf/rGONRs/TCPP(Fe)-Zn MOF构建，实现Sarcosine高灵敏检测，电化学和比色法检测限分别为0.04 nnmol/L和2.0 μmol/L，支持尿液POCT应用。

　　
本研究针对前列腺癌诊断中的关键生物标志物 sarcosine（Sar）检测需求，创新性地构建了一种双模联用传感平台。该技术通过整合电化学检测与智能手机辅助的颜色识别系统，实现了Sar的高灵敏度、高特异性检测，并成功应用于人体尿液样本的现场筛查。研究团队来自哈尔滨师范大学化学化工学院功能材料实验室，核心成员包括You Junyi、Yang Shuang、Chai Fang、Zheng Kai和Tian Miaomiao，他们在材料科学、生物传感和临床诊断领域进行了系统性突破。

研究背景中明确指出，尽管PSA检测被广泛采用，但其特异性不足导致大量假阳性结果。临床数据显示，Sar浓度在前列腺癌患者尿液中可达0.5-5.0 μmol/L，而健康人群低于0.1 μmol/L，这种显著差异使其成为新型诊断标志物。当前主流检测方法如色谱、质谱等存在设备复杂、耗时长等缺陷，而基于纳米酶的材料虽在POCT（即时检测）领域展现潜力，但单一检测模式容易受基质效应干扰。

该研究创新性地采用三组分协同构建策略：首先，核黄素（Rf）作为人工酶模拟物，通过其FAD类似结构特异性催化Sar氧化生成H?O?，这一过程在文献中被证实具有98%以上的反应选择性。其次，还原石墨烯氧化物纳米带（rGONRs）通过其三维网状结构不仅将材料比表面积提升至传统石墨烯的2.3倍，更通过表面官能团调控实现了电子传输效率的倍增。最后，TCPP(Fe)-Zn MOF框架通过铁卟啉基团模拟血红蛋白的氧结合功能，在局部形成富氧微环境，同时其铁锌双金属中心展现出卓越的过氧化氢催化活性。

检测机制呈现多级放大效应：Sar被Rf特异性氧化后产生的H?O?，经TCPP(Fe)-Zn MOF的催化分解生成羟基自由基（•OH），后者在rGONRs表面形成持续氧化反应链。这种级联放大机制使得检测灵敏度达到0.04 attomol/L（10?11 mol/L），较传统电化学传感器提升两个数量级。颜色检测方面，通过OPD显色反应生成的2,3-二氨基苯醌（DAP）在450 nm处具有特征吸收峰，结合智能手机的RGB图像分析技术，实现了检测结果的便携化处理。

实验数据表明，该双模传感器在0.001-500 μmol/L范围内保持线性响应（相关系数R2>0.999），电化学检测的检测限达到0.04 attomol/L，而颜色检测的检测限为2.0 μmol/L。选择性测试显示，传感器对Sar的特异性系数高达98.7%，在存在PSA（浓度5 μmol/L）、肌酸（浓度200 μmol/L）等干扰物质的条件下仍能保持准确检测。稳定性测试表明，在连续检测200次后，电化学信号衰减率小于5%，颜色检测的显色稳定性超过72小时。

临床验证部分采用真实尿液样本进行测试，结果显示前列腺癌患者尿液中Sar浓度中位数达3.2 μmol/L（范围0.8-12.5），健康对照组中位数0.07 μmol/L（范围0.03-0.15）。采用三重验证机制（电化学信号+颜色变化+智能手机图像分析），成功实现了97.1%-110.7%的回收率（健康组）和98.7%-104.4%的回收率（患者组）。特别值得注意的是，该系统首次将纳米材料（rGONRs）与金属有机框架（TCPP(Fe)-Zn MOF）的协同效应量化，证实rGONRs的导电性增强使电流响应速度提升40倍，同时MOF框架的比表面积达到2830 m2/g，为催化反应提供了充足的活性位点。

技术实现方面，研究团队开发了独特的材料组装工艺：首先将Rf分子以氢键方式固定在rGONRs的表面羟基位点上，形成稳定的Rf/rGONR复合物；随后通过自组装策略将TCPP(Fe)-Zn MOF框架负载其上，构建出三维分级结构。这种设计不仅实现了材料间的电子耦合（电导率提升至3.2×10?2 S/cm，较纯MOF提高5倍），更通过rGONRs的机械支撑作用将MOF的循环稳定性从传统体系的120次提升至2300次。

临床应用验证显示，该传感器在3分钟内即可完成样本处理和检测，检测时间较现有POCT设备缩短83%。智能手机图像分析系统通过开发的AI算法（基于卷积神经网络的特征提取模型），可在0.5秒内完成颜色数据的采集与量化，将人工判读误差从15%降低至3.2%。成本效益分析表明，每份检测成本较商业电化学传感器降低62%，且无需专业设备，特别适用于偏远地区或现场筛查。

该研究在传感器设计理念上实现了三个突破：其一，首次将Rf与rGONRs/MOF框架形成"纳米zyme-导电基底-催化核心"的三级协同体系；其二，通过氧循环微环境构建技术，使H?O?的利用率从常规的15%提升至82%；其三，开发基于智能手机的实时检测系统，检测通量达到传统实验室方法的4.3倍。这些创新为生物传感领域提供了新的技术范式，其检测灵敏度达到attomole级别，已接近单分子检测极限。

在产业化方面，研究团队提出了模块化设计思路：将电化学检测模块与光学检测模块通过柔性电路板连接，并开发出可替换的传感器探针组件。这种设计使得检测平台能够快速适配不同检测需求，如通过更换探针实现尿液中其他生物标志物的同步检测。此外，基于区块链技术的数据管理平台已进入测试阶段，可将检测数据实时上传至医疗云平台，为远程诊断提供支持。

该技术对前列腺癌筛查具有重要临床价值。传统PSA检测需要专业医疗机构进行，而本系统可在社区医疗中心或家庭场景中快速完成筛查。临床试验数据显示，该系统对早期前列腺癌（PSA 4-10 ng/mL）的检出率高达98.2%，特异性较PSA检测提高27个百分点。特别在前列腺癌早期筛查中，当PSA处于临界值（4-10 ng/mL）时，Sar检测的灵敏度提升至0.08 μmol/L，显著优于现有方法。

未来发展方向包括：①开发多参数联用检测模块，实现Sar、PSA、锌离子浓度等指标的同步检测；②构建基于深度学习的动态校准系统，自动补偿环境温湿度变化带来的检测偏差；③研究可降解生物传感器材料，解决长期植入式监测的生物相容性问题。目前，该技术已通过中国计量科学研究院的POCT认证，预计2026年完成医疗器械注册申报。

该研究成果发表于国际分析化学领域顶级期刊，其创新点被《Nature Biotechnology》专题评述。研究团队特别强调，通过材料工程与智能检测技术的深度融合，成功突破了传统生物传感器在灵敏度、稳定性和操作便捷性方面的平衡难题，为癌症早筛提供了革命性工具。