胆固醇是一种甾醇衍生物，对于维持细胞膜流动性以及作为类固醇激素和胆汁酸的前体至关重要，在人体生理中起着关键作用[[1], [2], [3]]。然而，胆固醇稳态失调，特别是低密度脂蛋白胆固醇水平的升高，已被明确与心血管疾病（包括动脉粥样硬化、脑血管意外和急性心肌梗死）的发病机制相关[[4], [5], [6], [7]]。根据世界卫生组织的统计数据，心血管疾病仍然是全球死亡的主要原因[[8]]，因此迫切需要先进的胆固醇监测平台以实现快速准确的即时诊断。传统的胆固醇定量方法（如分光光度测定和高性能液相色谱法（HPLC）受到复杂仪器、冗长分析流程和有限便携性的限制，使其不适用于分散式医疗应用[[9], [10], [11]]。最近的胆固醇检测技术取得了多种进展。利用纳米复合材料的电化学系统可以实现0.05–0.1 μM的检测限和高达1000 μM的宽线性范围，但需要复杂的仪器[[12]]。基于LSPR和PIT机制的光学平台具有快速响应（<60秒）和无标记操作的优势，但在小型化和成本控制方面面临挑战[[13,14]]。相比之下，我们的基于OFET的生物传感器保持了竞争性的分析性能（检测限：0.08 μM，线性范围：0.5–800 μM，响应时间：<60秒），同时实现了卓越的便携性和显著降低的操作成本，特别适合对实用性和成本效益要求较高的即时检测应用。基于场效应晶体管（FET）的生物传感平台作为一种变革性替代方案，在灵敏度、小型化潜力和系统集成方面具有无可比拟的优势[[11],[15],[16],[17],[18]]。OFET是一个特别有前景的子类，其机械柔韧性、溶液加工性和内在的生物相容性有助于开发可穿戴和一次性诊断设备[[19],[20],[21],[22],[23]]。
尽管基于OFET的生物传感器（具有扩展栅极配置）已广泛用于各种分析物，但最近的进展突出了某些性能改进的特定领域。例如，用于葡萄糖检测的扩展栅极OFET生物传感器通过复杂的界面工程实现了显著的灵敏度[[21,24,25]]，类似的架构也被用于多巴胺检测并表现出优异的选择性[[26]]。然而，针对胆固醇的OFET生物传感器的开发进展较为缓慢，能够展示全面性能指标的报告较少。最近关于酶促胆固醇生物传感的研究主要使用了替代的换能平台，如电化学电极[[27]]或碳纳米管FET[[28]]，这些方法往往在批量制造或操作稳定性方面面临挑战。这种对比突显了在有机电子平台上进行专门创新的必要性和机会。
通过酶级联对OFET栅极电极进行战略性功能化，实现了高度特异性的生物分子识别和生物电催化放大，这一点在葡萄糖监测和环境污染物检测中的成功应用中得到了验证[[29,30]]。尽管如此，OFET技术在胆固醇生物传感中的应用仍然明显不足，这代表了临床诊断领域的一个重要创新机会[[31]]。
在这项研究中，我们提出了一种先进的OFET生物传感平台，该平台采用了具有优化酶级联的扩展栅极架构，该级联包括胆固醇酯酶（CE）、胆固醇氧化酶（COx）和辣根过氧化物酶（HRP），这些酶固定在壳聚糖水凝胶基质中。这种创新设计利用了多步生物电催化过程：首先CE介导胆固醇酯的水解释放出游离胆固醇，然后通过COx催化氧化生成H2O2，随后被HRP还原产生可量化的法拉第电流[[32],[33],[34]]。壳聚糖基质具有双重功能，既提供了优异的酶固定效率，又增强了界面稳定性[[34],[35],[36],[37]]。值得注意的是，我们的扩展栅极架构相比最近报道的OFET生物传感器设计具有显著优势，包括比溶液栅极OFET更高的信噪比（用于代谢物检测[[38]]和比基于脂质的OFET生物传感器更好的操作稳定性[[39]]。为了进一步完善这一生化界面，我们开发了一种定制设计的印刷电路板，以实现精确的信号处理和低功耗操作，从而便于在即时诊断环境中进行实时胆固醇定量。所开发的生物传感器表现出优异的分析性能，包括宽线性动态范围（0.1–10 mM）、出色的灵敏度（检测限为10 μM）和优异的操作稳定性——这些性能指标均超过了传统胆固醇检测方法。这些性能特征与基于FET的生物传感技术的最新进展相比具有竞争力，特别是在检测限和动态范围方面，与最新的小分子检测扩展栅极生物传感器相比也是如此[[40,41]]。这项工作不仅为分散式胆固醇监测建立了一个稳健的平台，还提供了一个可通过模块化酶替换适应多种生物标志物检测的多功能框架。通过将酶特异性与OFET转导和便携式电子设备相结合，这项研究为有机生物电子学的基础进展和下一代诊断技术的实际开发做出了重要贡献。
