石墨烯量子点作为光电化学双模式生物传感器，用于检测抑郁症的生物标志物多巴胺和血清素

时间：2026年2月16日

来源：Journal of Drug Delivery Science and Technology

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本研究采用绿色合成法制备了石墨烯量子点（GO QDs），并通过UV-Vis、FTIR、HR-XRD和DLS表征确认其纯度、尺寸及表面特性。GO QDs对多巴胺和血清素的检测显示高结合常数（分别为2.077×10³ M⁻¹和1.053×10³ M⁻¹）及低检测限（0.7 nM和1.10 nM），其双模式（荧光和电化学）传感技术为抑郁症生物标志物检测提供了新思路。

尼基塔|坎瓦尔乔特·辛格|阿米特·辛格|潘卡杰·库马尔|玛希玛·考希克

纳米生物共轭化学实验室，德里大学创新中心，德里-110007，印度

摘要

纳米技术对生物传感器的发展做出了巨大贡献，而量子点（QDs）由于其纳米级尺寸和独特的光学及电学性质，在这一领域受到了广泛关注。新一代石墨烯衍生物——氧化石墨烯量子点（GO QDs）也因其高表面积、可控的表面化学性质以及量子尺寸效应而成为了一个有前景的研究平台，成功结合了两种材料的优势。在本研究中，采用了一种绿色环保的方法合成了GO QDs。为了表征这些GO QDs，我们使用了紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、高分辨率X射线衍射（HR-XRD）和动态光散射（DLS）分析技术。所有技术的结果均证明了成功合成了纯度高的球形负电荷GO QDs，平均粒径为23.4纳米。在对GO QDs进行充分表征后，还通过紫外-可见滴定、荧光和电化学分析研究了其生物传感性能。实验中使用的多巴胺和血清素是抑郁症及其他多种神经退行性疾病的生物标志物。紫外-可见滴定结果显示，多巴胺和血清素的结合常数分别为2.077 × 10³ M⁻¹和1.053 × 10³ M⁻¹。荧光淬灭实验表明，多巴胺和血清素的检测限（LOD）分别为0.7 nM和1.10 nM，这进一步证明了GO QDs的高灵敏度。循环伏安法（CV）电化学技术进一步证实了GO QDs出色的生物传感性能，其线性检测范围为100-500 nM，多巴胺和血清素的检测限分别为0.6 nM和1.03 nM。基于GO QDs的双模式光学和电化学生物传感方法仍有待进一步探索，以期为抑郁症生物标志物的检测提供更多见解。

引言

抑郁症是一种非常常见的心理障碍，也是全球致残的主要原因（Hird等人，2024年）。抑郁症表现为悲伤和绝望的情绪、对活动缺乏兴趣和乐趣、食欲或睡眠变化、疲劳、注意力集中困难，在严重情况下还可能出现自杀念头。抑郁症影响着全世界数百万人的生活。该疾病的复杂性体现在其多维性质上，涉及复杂的生化过程以及多种激素和神经递质的失衡。多巴胺和血清素是心理学中最重要的神经递质（Singh，2024年；Arvind等人，2026年）。多巴胺是中枢神经系统的重要组成部分，调节愉悦感、动机、奖励反应和应激反应；血清素则调节情绪、食欲以及深度睡眠和快速眼动（REM）过程。

Tanabe和Yokota（2023年）的研究通过测量尿液中六种特定生物标志物的水平，发现了与压力相关的显著指标。在经历压力、焦虑或重度抑郁症的人群中，多巴胺和血清素的水平明显降低。Hennig等人（2020年）的研究发现血清素和多巴胺的水平与行为（尤其是冲动行为）之间存在关联。尽管外周血液中的具体水平可能因分析方法和样本来源（血清/血浆）而异，但最新研究表明健康个体的多巴胺水平通常在0.01-10 μM之间（Arumugasamy等人，2020年）。临床研究还发现，重度抑郁症患者的多巴胺水平低于健康个体（Malik等人，2021年）。同样，健康个体的血清素水平通常在100-1000 nM（0.1-1.0 μM）之间，而在抑郁发作期间该水平会降低（Asadi等人，2025年）。这些数据表明，需要开发高度敏感的方法来检测神经递质水平的微小变化。因此，生物标志物的水平对科学家来说具有重要意义，这也凸显了开发高效可靠生物传感器设备的重要性。

这些生物标志物的检测对于抑郁症及其他神经系统疾病的早期诊断至关重要。生物标志物的检测可以提供关于抑郁症潜在生化过程的宝贵信息，帮助医生制定改善患者预后的策略（Zhang等人，2022年）。

传统的生物标志物检测方法存在诸多挑战。主要问题包括高性能分离技术（如高压液相色谱）和检测技术（如酶联免疫吸附测定）的成本高昂、操作复杂，且需要专业实验室人员。此外，基于反应的生物标志物检测方法虽然简化了实验流程，但存在局限性（Chen等人，2023年）。这些方法的局限性包括实验过程中需要更换多个电极、设备要求复杂，以及针对特定抗体的识别能力有限。因此，迫切需要开发下一代生物传感技术和软件来克服这些障碍。

过去几十年中，纳米技术已成为生物传感领域的创新方法，显著提升了传感器的灵敏度、特异性和性能。纳米材料的独特性质（如高表面积比和特殊物理特性）使其特别适合用于生物传感应用（Ramesh等人，2022年）。其中，氧化石墨烯（GO）量子点（QDs）因能够检测多种生物标志物而受到关注。作为含有多种含氧官能团（如羟基、羧基和环氧基）的二维石墨烯衍生物，GO QDs易于分散在不同溶剂中，并为后续功能化和与生物大分子的相互作用提供了多种可能性。此外，量子限制效应和含氧官能团赋予了GO QDs优异的光致发光和荧光特性，这对于准确、选择性地检测生物标志物至关重要（Balkanloo等人，2023年）。

传统的化学合成GO QDs的方法会产生大量有害副产物，导致环境污染和安全隐患。化学合成方法通常需要使用氧化剂、较长的反应时间和高温，难以实现环保的大规模生产（Marcano，2010年；Zaaba，2017年）。因此，近年来绿色合成方法因其环保性和可持续性而受到重视，这类方法使用低强度反应、无毒原料，产生的废物极少，最终目标是构建环保的纳米材料生产体系（Venkatachalam，2021年）。本文采用无毒有机物质柠檬酸作为前体，通过环保的绿色合成方法制备GO QDs。柠檬酸成本低廉、易获取，通过简单的热分解过程即可制备功能化的量子点，是环保可持续生产的理想选择（Li等人，2017年）。

近期研究证明GO QDs能显著提升生物传感器的多巴胺检测灵敏度。多数研究利用荧光淬灭技术，探讨了其在动态淬灭、静态淬灭和共振能量转移（RET）中的应用。Teniou等人（2022年）和Zhao等人（2015年）的研究表明，GO QDs可通过荧光淬灭有效检测多巴胺。GO QDs还与电化学传感器结合使用，其大表面积和丰富的含氧官能团有助于分析物在电极表面的强吸附。Torres-Soto等人（2025年）的研究显示，经过GO QD改性的电化学传感器具有更高的电子转移效率和更低的检测限。

尽管多数研究集中在多巴胺检测上，但关于GO QDs与其他重要生物标志物（如血清素）相互作用的全面了解仍存在空白。虽然有一些新研究探讨了GO QDs在检测多种生物标志物方面的应用，但对比不同类型生物标志物时其性能的研究较少。因此，开展比较研究以评估GO QDs检测多巴胺和血清素的性能至关重要，从而更全面地了解其生物传感应用。

我们报道了一种基于RET和循环伏安法（CV）的双模式传感器，利用GO QDs作为传感材料。分析物与GO QDs上官能团之间的相互作用确保了高效的电子或电荷转移，从而实现了基于RET的荧光淬灭效应。这两种机制的结合使得GO QD改性的电化学电极在CV检测中表现出对多巴胺和血清素的独特氧化峰，因此基于GO QDs的传感器具备高灵敏度和特异性。

所用材料

本研究使用的试剂包括：柠檬酸、盐酸多巴胺、盐酸血清素、尿素、胆固醇、葡萄糖、没食子酸、组胺和MOPS缓冲液均购自印度Sisco Research Laboratories Pvt Ltd；氢氧化钠来自印度Molychem；盐酸购自印度Thomas Baker Pvt Ltd；丙氨酸购自印度Spectrochem；实验过程中始终使用双蒸馏水。

紫外-可见光谱

图2显示，GO QDs的吸收光谱范围在200至400纳米之间，230纳米处有一个主要吸收峰，280纳米处有一个肩峰。230纳米处的峰是由于C=C键的π → π∗跃迁引起的，而280纳米处的肩峰则与C=O或C-OH基团的n → π∗跃迁相关（Lu等人，2019年）。这一现象反映了电子从价态向导带的跃迁。

结论

总结来说，本研究成功展示了利用柠檬酸这种安全且可生物降解的化学物质制备GO QDs的环保方法。合成后的GO QDs经过全面的物理化学分析，证实其具有稳定的纳米结构及适当的物理和化学性质。紫外-可见光谱结果显示GO QDs合成良好。傅里叶变换红外光谱进一步证实了其结构特性。

作者贡献声明

尼基塔：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构建。坎瓦尔乔特·辛格：撰写——审稿与编辑、数据可视化、方法论设计。阿米特·辛格：撰写——审稿与编辑、数据可视化。潘卡杰·库马尔：撰写——审稿与编辑。玛希玛·考希克：撰写——审稿与编辑、数据可视化、结果验证、项目协调、资源管理、实验设计、资金支持。