美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系團(tuán)隊(duì)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(jìn)展 —— 其首次實(shí)現(xiàn)對單個(gè)蛋白質(zhì)分子的實(shí)時(shí)動(dòng)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(tuán)隊(duì)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(shí)，會(huì)引發(fā)石墨烯電子輸運(yùn)特性的量子級(jí)擾動(dòng)。這種擾動(dòng)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(hào)，響應(yīng)時(shí)間僅 0.1 毫秒。

“傳統(tǒng)檢測方法需要百萬級(jí)分子濃度才能產(chǎn)生可識(shí)別信號(hào)，而我們的傳感器能捕捉單個(gè)分子的結(jié)合事件�！� 研究負(fù)責(zé)人艾米麗・陳教授在實(shí)驗(yàn)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(dá) 98.7%，假陰性率僅 0.3%，且整個(gè)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(tuán)隊(duì)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(gè)月以上；二是開發(fā)出納米級(jí)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(jì)低噪聲信號(hào)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(tuán)隊(duì)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(dá)到 RT-PCR 水平的 1/10，但檢測時(shí)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(jì) 2027 年將完成 FDA 三期臨床試驗(yàn)，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。