综述：纳米材料场效应晶体管生物传感器在癌症治疗中的应用

这篇综述系统阐述了基于纳米材料的场效应晶体管(FET)生物传感器在癌症早期诊断中的前沿进展。文章详细分析了0D/1D/2D纳米材料(如石墨烯量子点、碳纳米管、MoS2 )构建的FET传感器工作原理，重点探讨了其对癌症标志物(DNA/RNA/蛋白质)的超灵敏检测(检测限达aM级)，并比较了不同结构(顶栅/背栅/隧穿FET)的性能优劣，为开发新一代癌症诊断工具提供了重要参考。

　　

纳米材料场效应晶体管生物传感器的癌症诊疗革命

Abstract
纳米材料生物传感器在生物医学诊断领域扮演着关键角色。量子效应、自组装和大比表面积等特性使纳米材料成为生物医学应用的理想选择。癌症作为全球第二大死因，其早期诊断对提高治愈率至关重要。与传统检测方法相比，基于纳米材料的场效应晶体管(FET)生物传感器凭借微型化尺寸、高灵敏度和可靠性，在癌症标志物检测中展现出独特优势。

2. 场效应晶体管生物传感器
FET生物传感器主要由半导体敏感层和信号传输部分组成。典型结构包括硅基底上蚀刻的源极(S)和漏极(D)，以及连接二者的栅极(G)。根据偏压检测方式可分为：

2.1 顶栅生物传感器
采用压阻特性改变信号，如Chalklen团队开发的石墨烯FET检测阿尔茨海默病标志物Clusterin，灵敏度显著。

2.3 溶液栅生物传感器
以溶液作为栅介质，如Deng团队开发的石墨烯晶体管检测前列腺癌miRNA-21，检测限达飞摩尔级。

2.4 隧穿场效应晶体管(TFET)
利用量子隧穿效应，Bhattacharyya开发的In_0.53
Ga_0.47
As/Si异质结构TFET对卵巢癌标志物HE4的检测灵敏度比传统FET高4个数量级。

3. 癌症诊断标志物与生物受体

3.1 标志物

• 基因标志物：BRCA1/2基因突变与乳腺癌风险显著相关，石墨烯FET对其检测限达0.2 nM
• 蛋白质标志物：HER2过表达与多种癌症相关，MoS₂
  FET可实现0.019 aM的超灵敏检测
• 外泌体标志物：CD63蛋白作为前列腺癌标志物，还原氧化石墨烯(rGO)FET检测限达33颗粒/μL

3.2 生物受体

• 抗体：抗CA15-3单克隆抗体在乳腺癌诊断中特异性达90%以上
• 适配体：通过SELEX技术筛选的DNA适配体对细胞因子检测灵敏度比抗体高10倍
• cDNA：互补DNA探针可实现单碱基错配识别，石墨烯FET对靶DNA选择性提高100倍

6. 纳米材料FET的创新应用

6.1.1 石墨烯量子点FET
Zhang团队开发的碳点增强型FET对CEA检测限达2.7 pg/mL，比传统传感器灵敏度提高3个数量级。

6.2.1 碳纳米管FET
Liu团队设计的酶级联反应CNT FET对前列腺特异性抗原(PSA)检测限达105 zM，可区分良恶性前列腺病变(P=1.07×10^-5
)。

6.3.5 二硫化钼FET
Yang团队开发的MoS₂
纳米片传感器可同步检测膀胱癌标志物NMP22和CK8，线性范围跨越6个数量级。

7. 纳米复合材料FET
Chen团队开发的聚硅纳米线/磁性石墨烯复合材料FET对膀胱癌标志物APOA2检测限达6.7 pg/mL。Majd设计的MWCNT/rGO柔性FET对CA125的检测范围横跨9个数量级。

8. 展望
当前纳米材料FET面临德拜长度限制、非特异性结合等挑战。未来发展方向包括：开发抗干扰表面修饰技术、集成微流控系统实现自动化检测、探索新型二维材料如MXene在多重标志物检测中的应用。这些突破将推动FET生物传感器向临床即时检测(POCT)方向发展，为癌症早诊早治提供革命性工具。