用于高性能传感的生物电子大面积晶体管

《Annual Review of Analytical Chemistry》：Bioelectronic Large-Area Transistors for High-Performance Sensing

生物电子学通过融合生物学与电子学，开发出高灵敏度FET传感器，可检测单分子并实现早期疾病诊断。关键性能包括低检测限（LOD至zeptomolar级）和可靠识别（LOI阈值下误差<1%），利用分子印迹聚合物提升选择性和稳定性。研究展示了SiMoT平台在0.1 mL样本中检测单个病原体或生物标志物的能力，并讨论了MIPs在可持续传感器中的潜力与挑战。

　　生物电子学作为一门融合生物学、医学与电子学的交叉学科，其发展历程可以追溯到十八世纪末，当时的科学家 Luigi Galvani 的实验为现代电生理学和神经生物学奠定了基础。如今，生物电子学已经成为一种重要的技术手段，能够开发出与生物系统紧密连接的设备，用于监测、控制或增强生理过程。其中，大范围场效应晶体管（FET）传感技术是生物电子学的重要应用之一，它通过电子技术来识别和解读生物信号，从而提供实时且精确的数据。这类设备在医疗诊断、环境监测以及生物工程等多个领域展现出了巨大的潜力。

大范围 FET 传感设备因其高灵敏度、高特异性以及良好的可靠性而受到关注。其工作原理是基于电子元件与生物分子之间的相互作用，将生物识别事件转化为可测量的电信号。在这些设备中，一个关键的性能指标是“识别限”（LOI），它代表了设备能够可靠检测到目标分子的最低浓度。研究表明，某些 FET 基础的生物电子传感器可以检测到至少皮摩尔（pM）范围的分子浓度，而一些先进的传感器甚至能够达到泽摩尔（zM）级别，这意味着可以在 0.1 毫升的生物液体中可靠地检测到单个目标分子。为了确保检测的可靠性，LOI 被用作判断标准，从而将随机误差控制在 1% 以下。

在提高 FET 传感器性能方面，分析化学起到了至关重要的作用。通过优化传感器的设计和材料选择，可以增强其对特定分子的识别能力。例如，利用分子印迹聚合物（MIPs）作为生物识别单元，可以显著提高传感器的选择性。MIPs 是一种合成材料，能够模拟天然抗体的识别特性，具有良好的稳定性和可持续性。相比于天然抗体，MIPs 在制造成本和长期使用中表现更为优异，这使其成为一种更具前景的生物电子传感材料。

为了实现 FET 传感器的高灵敏度，科学家们设计了多种结构。其中，一种常见的方式是使用大范围检测界面，以增加生物分子与电子元件之间的接触面积。例如，一些 FET 设备通过在半导体通道或门极上进行生物功能化处理，从而提高其对特定分子的捕获能力。这些传感器不仅能够快速响应，还能在短时间内完成检测，使得它们在实际应用中具有很高的可行性。此外，通过调整 FET 的结构，如使用电解质门控 FET（EG-FET）或扩展门极结构，可以进一步优化传感器的性能，使其能够检测到更小的分子浓度。

在实际应用中，这些传感器被广泛用于生物标志物的检测。例如，一些 FET 基础的生物电子传感器已经成功用于胰腺癌的早期诊断，显示出超过 96% 的诊断灵敏度。此外，这些设备还可以用于检测诸如 HIV-1 的 p24 蛋白、C-反应蛋白（CRP）等重要的生物标志物。这些技术的进展表明，生物电子学在医学领域具有广阔的应用前景，尤其是在便携式检测设备和个性化医疗方面。

然而，尽管这些传感器在性能上取得了显著进步，但仍然存在一些挑战。例如，如何确保 MIPs 的模板完全去除是一个关键问题，因为残留的模板可能会影响传感器的特异性。此外，MIPs 在某些情况下可能无法提供与天然抗体相同水平的选择性，特别是在检测相似分子时。因此，未来的研究需要进一步探索如何提高 MIPs 的识别能力和减少非特异性结合。

随着技术的不断发展，生物电子学正逐步向更广泛的应用领域扩展。例如，一些研究人员正在探索如何将机器学习技术与生物电子传感器相结合，以提高检测的准确性和效率。此外，通过使用纳米材料或二维材料，如石墨烯，可以进一步增强传感器的灵敏度和选择性。这些创新方法不仅有助于提升生物电子学在医疗诊断中的应用价值，也为环境监测和食品安全等领域提供了新的解决方案。

总的来说，生物电子学作为一门融合多学科的技术，正逐步改变我们对生物系统检测的方式。通过优化 FET 的结构和材料，以及引入先进的生物识别技术，如 MIPs 和机器学习，生物电子传感器正在变得更加高效和可靠。这些技术的进一步发展，将为人类健康、环境安全和生物工程等领域带来革命性的变化。