基于氮掺杂石墨烯量子点的SPR生物传感器增强SARS-CoV-2刺突蛋白检测灵敏度

本研究针对SARS-CoV-2早期检测的灵敏度瓶颈，开发了一种氮掺杂石墨烯量子点(nGQD)增强型表面等离子体共振(SPR)生物传感器。通过优化nGQD合成工艺（CA:UR=2:1），实现了对S1-RBD蛋白0.01 pg/mL的超高检测限，较传统方法灵敏度提升3.4倍，并成功应用于10%血浆样本检测。该技术为无症状感染筛查和病毒变异监测提供了新工具，相关成果发表于《npj Biosensing》。

　　

新冠疫情暴发以来，SARS-CoV-2病毒通过不断变异的刺突蛋白(S蛋白)实现免疫逃逸，其中受体结合域(RBD)与ACE2的相互作用直接决定感染效率。尽管WHO已宣布结束公共卫生紧急状态，但研究表明76%的携带者无症状仍具传播风险。现有检测技术如RT-PCR耗时4-6小时，而快速抗原检测灵敏度不足（LOD>1 ng/mL），难以满足早期筛查和变异株监测需求。

台湾师范大学的研究团队创新性地将氮掺杂石墨烯量子点(nGQD)与SPR技术结合。通过水热法合成CA:UR比例为2:1的nGQD，其量子产率达26.5%，XPS证实C-NH-C掺杂比例高达81.1%。这种材料通过增强局域折射率变化和减少非特异性吸附，显著提升了检测性能。研究构建了双通道SPR系统，分别固定Anti-S1抗体（160 kDa）和ACE2蛋白（110 kDa），在PBS和10%血浆中实现了0.01 pg/mL的检测限，较传统SPR芯片灵敏度提高1.6倍，结合亲和力(KA)达4.84×10⁹ M^-1。

关键技术包括：1）水热法制备nGQD（180°C，90分钟）；2）MHA自组装膜修饰金芯片；3）EDC/NHS激活羧基共价固定探针；4）双通道SPR实时监测分子互作动力学；5）使用临床血浆样本验证抗干扰性能。

主要研究结果：

1. nGQD特性表征：HRTEM显示3-10 nm晶格间距（0.24 nm），PL光谱在405 nm激发下发射440/480 nm双峰，FTIR证实1684 cm^-1处酰胺键特征峰。

   

2. 探针固定效率：nGQD芯片固定25 μg/mL ACE2时SPR角位移达74.82 m°，KA值比传统芯片高3倍，Anti-S1抗体因分子量更大产生101.68 m°显著信号。

3. 超灵敏检测：在0.01-100 pg/mL低浓度区，nGQD(Anti-S1)芯片响应曲线y=4.02+1.25x（R²=0.97），而LFA仅能检测到0.05 ng/mL。

   

4. 临床适用性：在10%血浆中仍保持线性响应（y=4.15+1.73x），且对hCG等五种干扰蛋白的交叉反应<14%，而LFA在20%血浆中完全失效。

该研究突破了现有技术在灵敏度（较电化学传感器提升100倍）和分子互作分析能力的局限，为评估E484K等关键突变株的传染性提供了新方法。nGQD芯片的双重功能——既能检测极低病毒载量，又能通过动力学参数（k_a=9.2×10⁵ M^-1s^-1）预测抗体逃逸风险，使其成为疫情监测的有力工具。作者指出，这种"血检替代咽拭子"的策略还可降低气溶胶传播风险，为公共卫生防控提供新思路。