迈向无创神经学标志物监测：基于激光诱导石墨烯电化学传感器的泪液多巴胺检测

《ACS Omega》：Toward Non-Invasive Neurological Biomarker Monitoring: Dopamine Sensing in Tears with Laser-Induced Graphene Electrochemical Sensors

　　

多巴胺（dopamine，DA）在运动控制、认知和情绪调节中发挥关键作用，其水平异常与帕金森病和精神分裂症等疾病相关，因此亟需建立灵敏、选择性高且无创的检测方法。本研究报道了一种高性能非酶电化学传感器的构建方法，该传感器以激光诱导石墨烯（laser-induced graphene，LIG）为基础，并采用硝酸镍和尿素进行功能化，用于检测多巴胺。采用循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）和差分脉冲伏安法（differential pulse voltammetry，DPV）评估传感器的选择性及整体性能。通过扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）进行的深入表征证实，成功形成了多孔且具有电活性的石墨烯结构，并且该结构表面均匀功能化了镍离子和含氮基团。这些修饰提高了电子传递速率，并增加了多巴胺氧化的活性位点。电化学测量表明，该传感器具有优异性能：在磷酸盐缓冲溶液中，线性检测范围为0.25–16.44 μmol·L^–1，检出限（limit of detection，LOD）为17.86 nmol·L^–1，定量限（limit of quantification，LOQ）为54.14 nmol·L^–1，R² = 0.98。在人工泪液中，该传感器在3.23–9.32 μmol·L^–1四种不同浓度下仍保持可靠响应。此外，该传感器在真实基质中表现出优异的分析性能，在实际样品分析中获得了接近100%的回收率。

该论文发表于《ACS Omega》，聚焦于神经系统相关生物标志物的无创检测问题，核心目标是建立一种可用于泪液中多巴胺（dopamine，DA）分析的高性能电化学传感平台。多巴胺是中枢神经系统中重要的儿茶酚胺类神经递质，参与运动调节、认知活动、奖赏行为和情绪稳态等多种生理过程。既有研究表明，多巴胺水平异常与帕金森病、精神分裂症、阿尔茨海默病及抑郁症等神经退行性和精神疾病密切相关，因此，对多巴胺进行准确、快速、低负担的监测具有重要临床意义。现有多巴胺监测主要依赖尿液分析、血液采样或脑植入等侵入性方法，虽然具备一定检测能力，但在患者舒适性、操作便利性、风险控制和长期动态监测方面存在明显局限。与此相比，泪液作为一种可获取性较高的生物体液，为无创监测神经学标志物提供了有前景的介质，但要实现泪液中低浓度多巴胺的可靠定量，仍需要具备高灵敏度、高选择性和优异抗基质干扰能力的传感材料与器件。

研究人员围绕这一需求，设计并制备了一种基于激光诱导石墨烯（laser-induced graphene，LIG）的非酶电化学传感器，并通过硝酸镍与尿素对工作电极进行协同功能化，以提升对DA的电催化氧化能力。论文的研究逻辑十分清晰：首先通过激光直写（direct laser writing，DLW）在聚酰亚胺基底上构建三电极平台，再引入硝酸镍和尿素调控LIG的孔结构、含氮官能团和金属活性位点，随后利用材料表征技术和电化学方法验证其结构基础与传感性能，最终在磷酸盐缓冲液和人工泪液体系中评估其检测能力。研究结果表明，Ni(NO₃)₂与尿素的协同修饰显著提高了电极的电活性表面积、电子传输效率和DA氧化响应强度，使其在标准溶液与模拟真实基质中均表现出较高灵敏度、较低检出限和较优回收率。该研究的重要意义在于提出了一条面向无创神经学标志物监测的低成本、可扩展、非酶电化学检测路线，为泪液多巴胺分析及潜在即时检测（point-of-care testing）应用提供了材料和方法学基础。

在技术方法方面，研究人员首先采用CO₂激光对Kapton聚酰亚胺薄膜进行两步激光碳化，构建LIG三电极器件，并以滴涂方式将0.1 mol·L^–1 Ni(NO₃)₂和不同浓度尿素引入工作电极表面，经再次激光处理实现协同功能化。随后利用扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱、元素分析（CHN）及傅里叶变换红外光谱（FTIR）对电极的形貌、石墨化程度、缺陷特征及表面官能团进行表征。电化学性能则主要通过循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）评价，并在磷酸盐缓冲液（PBS）和依据Reid方法配制的人工泪液中开展检测、干扰与回收实验；真实样品部分实际采用的是人工泪液加标分析，而非来源于临床受试者的样本队列。

在研究结果部分，论文首先在“Physical-Chemical Characterization of the Electrodes”中说明了不同修饰策略对LIG结构与表面化学的影响。研究人员通过SEM观察到，未经处理的LIG已具备高度互连的三维多孔石墨烯纳米片结构，这种结构本身适合电化学传感。引入尿素后，电极孔径明显增大，提示激光作用下尿素热分解产生的气体促进了内部压力形成和结构剥离，从而增强了孔隙化程度。进一步在LIG/Ni(NO₃)₂ + Urea样品中，SEM显示碳基体中均匀分布有微颗粒，论文将其归因于来源于镍的颗粒嵌入LIG骨架，有助于放大电流信号并增强电催化活性。CHN元素分析进一步证明，加入尿素后复合材料中氮含量较无尿素体系提高13.08%，表明含氮基团成功掺入LIG碳基体。拉曼结果则从结构层面支撑这一结论：尿素掺杂使I_D/I_G比值升高，提示石墨烯晶格缺陷密度增加；同时I_2D/I_G上升，说明石墨烯层数减少。FTIR结果补充证明了尿素和硝酸镍的成功引入，其中O–H/N–H、酰胺I带、酰胺II带、C–N、NO₃^–及Ni–O/Ni–OH等特征峰共同支持传感器活性表面的功能化已经实现。总体而言，这一部分得出的结论是：尿素和镍盐协同处理可同时调控LIG的多孔形貌、缺陷水平、含氮官能化和金属位点分布，为后续DA电催化检测奠定物质基础。

在“Electrochemical Results”部分，论文系统评估了该传感器的电化学行为及其对DA的检测性能。首先，CV测试表明，LIG/Ni(NO₃)₂ + Urea电极在DA存在时于0.04 V附近出现清晰氧化峰，在?0.1 V附近出现还原峰，体现出DA与多巴胺醌（dopamine quinone，DAQ）之间的可逆氧化还原转化。论文指出，这一过程涉及2个电子和2个质子的转移，而镍物种如NiO或Ni(OH)₂/NiOOH在其中充当氧化还原介体和信号放大单元。随后，研究人员考察尿素浓度对响应的影响，在0.1–0.4 mol·L^–1范围内比较后发现，0.3 mol·L^–1尿素对应的电流响应最高，说明孔结构优化、含氮位点引入与镍基活性颗粒之间存在最佳协同窗口。接着，通过对比LIG、LIG/Urea、LIG/Ni(NO₃)₂和LIG/Ni(NO₃)₂ + Urea四类电极的CV行为，研究人员确认双重修饰电极具有更尖锐、更显著的氧化还原峰和更高的氧化电流，表明其电子转移和电催化氧化过程最为高效。文中还提到，LIG/Ni(NO₃)₂电极在0.2 V附近出现肩峰，可能与Ni(II)/Ni(III)氧化还原转变或并行动力学过程有关，但论文未进一步作超出实验依据的延伸判断。

该部分还通过扫描速率实验分析了动力学特征。随着扫描速率由0.01 V·s^–1增至0.20 V·s^–1，峰电流与扫描速率平方根呈线性关系，表明DA在该传感器上的氧化过程受扩散控制，且反应具有较快、可逆的电化学特征。进一步基于Randles–Sevcik方程计算电化学活性表面积（electrochemical active surface area，ECSA），得到原始LIG、LIG/Urea、LIG/Ni(NO₃)₂和LIG/Ni(NO₃)₂ + Urea分别为3.27、3.44、4.02和13.36 cm²。其中协同修饰后ECSA约提升至原始材料的4倍，这一量化结果与SEM观察到的高度剥离、三维多孔网络结构一致，说明尿素热分解与镍引入共同创造了更大的暴露活性位点数量，从而促进DA电氧化动力学。传感器的重复性、重现性和稳定性也得到了验证：五次连续测量的相对标准偏差（RSD）为1.29%，三支独立传感器重复实验的RSD为3.17%，表明器件制备与响应较为稳定；在30天考察中，传感器于7天内维持理想性能，至第30天响应逐渐下降。

随后，论文利用“DPV employed to evaluate the sensor’s analytical performance for DA detection inserted in PBS solution”和分析曲线部分对定量检测性能进行展示。研究人员选择DPV而非CV作为主要定量方法，是因为DPV能更有效降低电容电流干扰，从而提升灵敏度。在PBS（pH = 7.5）中，随着DA浓度由0.25增加至16.44 μmol·L^–1，氧化电流逐步升高，并呈现良好的线性关系，R² = 0.98。依据校准曲线计算，传感器的LOD为17.86 nmol·L^–1，LOQ为54.14 nmol·L^–1。论文通过与文献中其他DA传感器对比，说明该传感器在检出限方面具有竞争力。这里得到的核心结论是：LIG/Ni(NO₃)₂ + Urea平台在缓冲体系中具备宽线性范围、较低检测下限和较高定量可靠性，可满足低浓度DA分析需求。

在“Real Sample Analysis”部分，研究重点转向人工泪液这一复杂基质，以验证传感器面向无创应用的可行性。研究人员在人工泪液中进行加标回收实验，考察3.23–9.32 μmol·L^–1浓度范围内的检测效果。结果显示，各浓度点的回收率为99.7%–100.1%，且R² = 0.96，误差条对应的波动约为2%–6%，说明该传感器在模拟真实样品中仍保持较高准确度与精密度。论文进一步指出，在本研究考察的较低浓度区间内，由聚多巴胺绝缘膜形成所导致的电极污染（fouling）现象可以忽略，多孔LIG/Ni(NO₃)₂ + Urea结构有效缓解了表面钝化，使分析信号与DA浓度保持成比例关系。尽管人工泪液中的干扰组分会引起少量电流变化，但整体上并未显著破坏检测性能。由此可见，该传感器在与临床监测相关的泪液模拟环境中仍具有较好的适用性。

讨论部分的核心在于说明材料结构调控与电化学性能提升之间的因果联系。论文认为，LIG本身提供了高导电性和高比表面积的三维碳骨架，尿素的引入一方面扩大孔结构、增强材料剥离，另一方面通过氮掺杂改变局部电子密度并增加DA吸附与反应活性位点；镍物种则通过氧化还原介导作用促进界面电荷转移并提升催化效率。二者共同作用形成协同增敏机制，使传感器在灵敏度、选择性、电流响应强度以及复杂基质适应性方面均优于单一修饰体系。文章并未脱离实验结果做过度外推，而是将结论主要限定在标准实验条件和人工泪液体系下的非酶DA检测优势上。

研究结论部分可译述如下：本研究开发了一种基于LIG的电化学传感器，用于受控环境和人工泪液中的多巴胺检测。优化结果表明，采用0.1 mol·L^–1 Ni(NO₃)₂和0.3 mol·L^–1尿素对工作电极进行功能化，可显著提升DA的非酶电化学传感性能。表面形貌分析显示，处理后与未处理电极之间存在显著差异，这些变化带来了更大的电活性表面积和更优的传感器性能。该传感器表现出明确的检测限和清晰的多巴胺定量动态范围。值得注意的是，在LIG/Ni(NO₃)₂体系中引入尿素后，传感器在多巴胺存在下的氧化电流增强，同时保持了较高灵敏度，从而改善了选择性和检测性能。在PBS中，传感器的检测范围为0.25–16.44 μmol·L^–1，LOD为17.86 nmol·L^–1，LOQ为54.14 nmol·L^–1，R² = 0.98。在人工泪液中，传感器在线性范围3.23–9.32 μmol·L^–1内保持可靠响应，对DA的回收率接近100%。此外，基于激光直接制备镍基微结构的方法具有新颖、低成本和高效率等特点。总体而言，LIG/Ni(NO₃)₂ + Urea传感器在标准样品和生物相关样品中的非酶DA检测方面显示出较强潜力，而本文提出的激光合成策略也为电化学生物传感的发展提供了有前景的方向。