银枝修饰激光诱导石墨烯电极：一种用于现场唾液尿素检测的手持式无酶电化学传感器

《Biosensors and Bioelectronics: X》：Silver-dendrites modified laser induced graphene electrodes as a handheld electrochemical non-enzymatic sensor device for onsite salivary urea detection

本研究针对慢性肾病早期诊断存在的侵入性、耗时及设备依赖性问题，开发了一种基于银枝晶修饰激光诱导石墨烯（Ag-LIG）的手持式无酶电化学传感器。研究人员通过优化电极制备与检测程序，实现了在约2分钟内对简单稀释的人唾液样本中尿素的快速、高选择性检测。该传感器具有低成本（~0.08美元）、高灵敏度（检测限26 μM）及优异稳定性（31天），并能与智能手机便捷集成，经与金标准方法对比验证了其可靠性。这项工作为非侵入性、现场化、适合大规模筛查的肾病诊断提供了创新性解决方案。

　　

慢性肾病（CKD）是全球性的公共卫生负担，影响着数亿人的健康。然而，其早期诊断却面临着巨大的挑战：疾病起病隐匿无症状，常规的血液或尿液检测具有侵入性，且需要专业的医疗设备和人员进行操作，这在高医疗资源地区或大规模筛查中尤其不便。人们不禁要问，能否找到一种更友好、更便捷的方式来监测肾脏健康？唾液，这种易于获取的生物体液，其成分变化能否成为反映身体状况的窗口？特别是唾液中的尿素水平，已被证明与血液尿素氮（BUN）水平相关，是评估肾功能的一个潜在标志物。但如何将其转化为一种快速、准确、适合非专业人士操作的现场检测工具，是研究者们需要攻克的难题。

传统的尿素检测方法，如核磁共振（NMR）、高效液相色谱（HPLC）等，虽然准确，但依赖于大型实验室设备和复杂操作，与“即时检验”的理念相去甚远。现有的商业检测产品也多基于分光光度法，存在类似局限。因此，开发一种便携、快速、低成本且无需复杂样品前处理的唾液尿素传感器，对于推动CKD的早期发现和公共筛查具有重要的现实意义。近期发表于《Biosensors and Bioelectronics: X》的一项研究，正是针对这一目标展开。

这项研究由印度理工学院卡拉格普尔分校的研究团队完成，其核心是开发并验证一种基于银枝晶修饰激光诱导石墨烯（Ag-LIG）的手持式无酶电化学传感器，用于唾液中尿素的现场检测。研究人员主要运用了材料合成与表征、电化学分析、传感器性能评估及临床验证等关键技术方法。其中，通过激光诱导转化和电化学沉积技术制备了Ag-LIG电极；利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）对材料进行了系统表征；采用循环伏安法（CV）、方波伏安法（SWV）和电化学阻抗谱（EIS）研究了电极的电化学性质和尿素传感机制；通过加标回收、干扰实验和稳定性测试评估了传感器的分析性能；最后，通过采集患者唾液样本（来自印度加尔各答的Vivacity多专科医院），并将传感器检测结果与金标准自动分析仪结果进行对比，完成了临床验证。

材料表征结果：研究首先证实了银枝晶成功修饰在LIG基底上。XRD图谱显示Ag-LIG在38.2°、44°等处出现了银的特征衍射峰。拉曼光谱中，Ag-LIG的D峰和G峰信号显著增强并发生畸变，表明了银纳米结构引起的表面增强拉曼散射（SERS）效应。XPS分析确认了银以金属态Ag(0)存在，并且Ag的沉积改变了石墨烯表面的化学状态和电荷分布。AFM图像直观显示，银结构并未完全覆盖而是分布在石墨烯基底上，这增加了电极的表面粗糙度，有利于电化学反应。

电化学表征结果：与未修饰的LIG电极相比，Ag-LIG电极表现出更优异的电化学性能。在含有铁氰化钾/亚铁氰化钾（[Fe(CN)₆]^3-/4-）的溶液中，Ag-LIG的氧化还原峰电位差（ΔE_p）更小，表明其可逆性更好，电子转移更快。通过双电层电容法计算得到的电化学活性表面积，Ag-LIG是LIG的10倍。电化学阻抗谱也显示Ag-LIG的电荷转移电阻（R_ct）显著更低。这些结果共同证明了银枝晶修饰有效提升了电极的导电性和催化活性。

尿素传感机理：研究人员通过循环伏安法深入探究了尿素在Ag-LIG电极上的氧化机理。在含有尿素的碱性溶液（0.1 M KOH）中，CV曲线在约0.38 V（U₁峰）和0.55 V（U₂峰）处出现了特征峰。研究指出，U₁峰对应一个“电化学-化学-电化学”的复杂过程：尿素首先被电氧化生成氨和碳酸根，氨与电极表面的氧化银（Ag₂O）发生化学络合并溶解，暴露出下层银，随后暴露的银在电位扫描中被氧化为银氢氧化物，该过程的电流信号与尿素浓度直接相关。U₂峰则对应于尿素在银氧化物上的直接电氧化。由于U₁峰受复杂生物基质干扰更小，被选作尿素定量的诊断信号峰。

传感器性能：经过优化（采用线性扫描伏安法作为预处理，结合方波伏安法检测），该传感器能在约2分钟内完成检测。其对尿素的检测在100 μM至500 μM浓度范围内呈现良好线性，灵敏度为49.93 μA/mM，检测限（LOD）低至26 μM，定量限（LOQ）为85.8 μM。经40倍稀释因子校正后，其线性范围涵盖了健康与疾病状态下的唾液尿素临床相关浓度。传感器表现出高选择性，在10倍于生理浓度的多种潜在干扰物（如抗坏血酸、尿酸、葡萄糖、肌酐及各种离子）存在下，电流响应无显著变化。在40倍稀释的真实唾液样本中进行加标回收实验，回收率超过91%。不同批次电极的电流响应相对标准偏差（RSD）小于7%，表明重现性良好。传感器在真空储存31天后，灵敏度未发生显著变化，稳定性优异。

临床验证与实用性：该传感器被集成为便携的测试条，可与智能手机和手持式电位仪连接，实现“即插即用”式检测。对来自患者的真实唾液样本（仅经简单稀释，无需离心）进行检测，其结果与金标准自动分析仪方法的结果通过Bland-Altman分析进行比较，显示出高度一致性（95%置信区间）。用户测试表明，未经训练的志愿者在简单指导后，能获得与训练有素的化学家相近的准确度和精密度结果。用户调研也肯定了该设备的易用性。成本分析显示，每个传感器条的成本仅为0.08美元，远低于现有商业产品，具备了大规模推广的经济潜力。

结论与讨论：该研究成功开发并验证了一种低成本、便携、可与智能手机集成的银枝晶修饰激光诱导石墨烯无酶尿素传感器。该传感器能够对仅经最小化处理（简单稀释）的人唾液样本实现快速、高选择性、高灵敏度的尿素检测。其优异的分析性能（高灵敏度、低检测限、高选择性、良好的稳定性和重现性）和便捷的操作方式，通过对比金标准方法得到了全面验证。尽管该传感器可能需要动态校准，但考虑到其极低的成本和易用性，在现场生成校准曲线并非不可行的障碍。这项工作的意义在于，它为解决慢性肾病早期诊断和公共筛查中的可及性、便捷性和成本问题，提供了一种切实可行的“即时检验”方案。其“滴入即测”的策略，特别适合资源有限的环境，有望打破技术获取的社会经济壁垒，将先进的健康监测能力带给更广泛的人群。