美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系團隊在《自然・納米技術(shù)》2025 年 6 月刊發(fā)表的最新研究，揭示了一款基于單層石墨烯的柔性生物傳感器的突破性進展 —— 其首次實現(xiàn)對單個蛋白質(zhì)分子的實時動態(tài)檢測，靈敏度較傳統(tǒng) ELISA 檢測設(shè)備提升 1000 倍，為疾病早期診斷領(lǐng)域帶來顛覆性變革。

這款傳感器的核心突破在于量子隧穿效應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。研究團隊通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備出 1.2 納米厚的石墨烯薄膜，在其表面修飾特異性抗體分子后，當(dāng)目標(biāo)蛋白質(zhì)（如腫瘤標(biāo)志物）與之結(jié)合時，會引發(fā)石墨烯電子輸運特性的量子級擾動。這種擾動通過自主研發(fā)的低溫共燒陶瓷（LTCC）封裝電路，可被轉(zhuǎn)化為可測量的電信號，響應(yīng)時間僅 0.1 毫秒。

“傳統(tǒng)檢測方法需要百萬級分子濃度才能產(chǎn)生可識別信號，而我們的傳感器能捕捉單個分子的結(jié)合事件。” 研究負責(zé)人艾米麗・陳教授在實驗室演示中介紹，“在對 120 例胰腺癌疑似患者的盲測中，該傳感器對 CA19-9 標(biāo)志物的檢測準(zhǔn)確率達 98.7%，假陰性率僅 0.3%，且整個檢測過程無需離心、顯色等預(yù)處理步驟，5 分鐘內(nèi)即可完成。”

研發(fā)過程中，團隊攻克了三大技術(shù)難關(guān)：一是通過邊緣功能化處理解決石墨烯在水溶液中的穩(wěn)定性問題，使其在 pH 值 3-10 的環(huán)境中可穩(wěn)定工作 6 個月以上；二是開發(fā)出納米級抗體固定技術(shù)，將分子結(jié)合效率從傳統(tǒng)方法的 65% 提升至 92%；三是設(shè)計低噪聲信號放大電路，將背景干擾壓制在 0.01 納安以下。

該技術(shù)的應(yīng)用場景正快速拓展。除腫瘤診斷外，研究團隊已成功將其用于新冠病毒抗原、寨卡病毒等病原體的快速檢測，靈敏度達到 RT-PCR 水平的 1/10，但檢測時間縮短至 3 分鐘。美國國立衛(wèi)生研究院已投入 2300 萬美元支持其臨床轉(zhuǎn)化，預(yù)計 2027 年將完成 FDA 三期臨床試驗，商業(yè)化后有望將癌癥早期檢出率從目前的 45% 提升至 85% 以上，年減少醫(yī)療支出超 200 億美元。