柔性石墨烯生物传感器实现卵巢癌循环肿瘤细胞快速超灵敏检测

摘要

卵巢癌早期检测长期面临症状不特异、缺乏可靠筛查工具等难题。本研究研制了一种基于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底的低成本柔性石墨烯生物传感器，可在 5 秒内以极高灵敏度检测循环肿瘤细胞（CTC），检测限低至每毫升仅几十个细胞。传感器能清晰区分细胞培养基与卵巢癌细胞悬液，对不同细胞类型呈现差异化电响应，为即时快速诊断（POCT）提供了极具潜力的平台。

引言

卵巢癌是第二大妇科恶性肿瘤，也是妇科癌症死亡的首位原因。现有的影像学联合 CA125 抗原检测策略灵敏度有限，尤其在早期病变中，生存率随分期急剧下降。早期肿瘤会向血液释放 CTC，若能以足够灵敏度无创检测该生物标志物，将显著改善患者预后。尽管免疫磁珠法、微流控技术等层出不穷，但兼具高特异性与快速周转、可临床落地的方案仍属空白。

石墨烯作为 sp² 杂化碳原子构成的二维晶格，凭借优异的电导率与巨大比表面积，已成为生物传感研究的热门平台。此前石墨烯器件已实现 CEA、PSA 等蛋白生物标志物的定量，但面向卵巢癌 CTC 的柔性低成本石墨烯传感器尚未被探索。本研究提出的手工制备石墨烯/PET 传感器，集机械柔性、快速响应与高灵敏度于一体，填补了这一空白。

材料与方法

石墨烯薄膜生长与转移

单层石墨烯在铜箔上通过化学气相沉积（CVD）生长。铜箔经 5 分钟盐酸清洗、去离子水冲洗、氮气干燥后，在氢气氛围（50 sccm）下升温至 1000 °C 保持 20 分钟，再通入甲烷（50 sccm）继续 20 分钟生长石墨烯。冷却后切割，涂覆 PMMA，用 1 M FeCl₃ 蚀刻铜箔，PMMA/石墨烯堆叠层经冲洗转移至 PET，丙酮除去 PMMA，获得石墨烯/PET 薄膜。

石墨烯生物传感器制备

将石墨烯薄膜切割为 1 cm×2 cm 片段转移至 PET，中央置放两枚银浆电极，电极周围铸造数毫米长宽、约 1 mm 高的硅胶孔形成细胞池。完成的传感器经 Agilent 4155B 半导体参数分析仪验证。

SKOV3 卵巢癌细胞培养

SKOV3 细胞（来源：华西第二医院公共实验室）在含 10% 牛血清的 RPMI-1640 培养基中培养，37 °C、5% CO₂ 条件下维持。

细胞悬液制备与电学测量

细胞悬液按目标浓度用培养基稀释，取 50 µL 加入硅胶孔，用 Agilent 4155B 记录电流变化。

结果与讨论

10×10 cm 石墨烯薄膜较裸铜箔呈现微弱变深，确认覆盖均匀。拉曼光谱显示 G 峰（1580 cm⁻¹）与 2D 峰（2680 cm⁻¹），I_G/I_2D < 0.5 且 D 峰可忽略，证实单层高质量、低缺陷密度。

PET 基柔性传感器加入 50 µL 样本后产生清晰电信号：基线电流稳定，接触样本后电流下降并稳定在新值。相对响应 η = (I₀–I)/I₀×100% 中，无细胞培养基仅 2.96%，而 30 个细胞/mL 的 CTC 溶液高达 37.04%，显示对癌细胞的显著灵敏度。

时间分辨测量显示，30 个细胞/mL CTC 溶液在 2.1 秒内即达 5% 响应，同浓度培养基仅 0.15% 变化。亚 10 秒级响应确认其即时诊断适用性。

进一步测试两种 CTC 系（SUDHL8、OCILYS，10,000 个细胞/mL），两者电流-时间曲线显著不同，表明传感器可区分细胞类型。浓度依赖性实验中，SUDHL8 细胞 10 K 与 100 K cells/mL 下，高浓度因细胞紧密堆积的绝缘特性导致电流变化略减，但仍保持可辨识响应，彰显定量潜力。

综上，手工制作的柔性石墨烯生物传感器可在数秒内灵敏、快速检测卵巢癌 CTC，并能区分细胞类型、定量细胞浓度。

结论

我们制备了一种简易、柔性的石墨烯/PET 生物传感器，能以卓越速度与灵敏度检测卵巢癌 CTC。通过比较进样前后电信号，设备可区分癌性与非癌性培养基、识别不同细胞系、定量细胞浓度。该低成本平台为卵巢癌早期检测与监测的即时快速诊断带来新希望。