PSA是用于前列腺癌筛查的最广泛使用的生物标志物。然而，其有限的特异性和血清水平的波动常常导致假阳性结果，从而导致过度诊断和不必要的治疗[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。尽管已经开发了替代生物标志物，但由于其成熟的诊断阈值和广泛接受度，PSA仍然具有重要的临床价值[[9], [10], [11], [12]]。因此，应优先提高PSA定量的灵敏度、选择性和可靠性，而不是替换该生物标志物本身。
基于适配体的生物传感器已成为检测PSA的非常有前景的工具，其特点是对目标的强亲和力、化学稳定性和表面修饰的便利性。先前的研究已经成功展示了使用DNA适配体在各种电化学平台上检测PSA。例如，Jolly等人和Hassani等人的研究报道了具有高特异性和最小交叉反应性的适配体功能化传感器。此外，SPR表征证实了在低ng/mL范围内的强结合亲和力[[13], [14], [15]]。在这项工作中，我们使用了这些经过验证的适配体序列的修改版本，加入了硫醇锚定和荧光标记，以确保可控的固定和表面验证。
场效应晶体管（FET）生物传感器代表了无标记、实时生物分子检测的强大平台，具有出色的微型化、低功耗操作和直接电转导优势[[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]]。在各种FET架构中，扩展栅极FET（EGFET）具有独特的优势，特别是在稳定的液相生物传感和机械静电研究中。通过将传感电极与晶体管通道物理分离，EGFET配置有效地保护了半导体器件免受电解质的直接暴露，从而减少了器件退化、漏电流和长期不稳定的风险，这些通常是直接液栅FET所面临的问题[[25], [26], [27], [28]]。此外，这种结构解耦使得EGFET特别适合系统研究离子强度依赖的静电耦合和时域信号稳定性——这些现象在传统的直接液栅FET配置中通常难以分离和分析。
关键的是，扩展栅极架构提供了一个明确定义且独立的电化学界面，非常适合在不同离子环境中系统研究电双层（EDL）现象。传感表面与晶体管通道的解耦允许在不影响底层MOSFET完整性的情况下，控制EDL结构和德拜长度的调节，即使在超低离子强度条件下也是如此。这一结构特性还提供了更大的表面功能化和化学处理的灵活性，便于进行诸如强烈的表面处理和长时间的生物分子固定等具有挑战性的任务，这些在传统的直接栅极配置中往往难以可靠实现。我们之前的研究利用这些优势，展示了使用镍纳米线、石墨烯薄膜和纳米粒子增强EDL调制的高性能EGFET基葡萄糖传感器[29]，以及用于敏感检测心脏肌钙蛋白I的平面EDL-FET平台[30]。这一能力是本研究的重点，旨在区分静电转导效率和器件退化，并独立评估适配体功能化EGFET中的德拜长度调节和信号稳定性。
尽管BioFET的发展取得了显著进展，但仍有少数系统研究探讨了离子微环境（特别是EDL的结构和德拜长度的调节）如何影响适配体功能化EGFET中的静电场效应耦合效率。Garika等人的最新研究彻底解决了与BioFET溶液栅控相关的基本挑战，强调了电解质组成和离子强度是影响静电转导效率和信号稳定性的关键因素。这些问题对于扩展栅极架构尤为重要，因为在那里可以有意设计EDL。虽然低离子强度条件通常用于延长德拜屏蔽长度和提高灵敏度，但这样的环境也可能损害EDL稳定性，可能导致信号漂移和时域噪声增加[[31], [32], [33], [34]]。这些相互竞争的影响尚未在适配体功能化EGFET生物传感器的背景下得到定量和系统的解决。
本研究通过实验和理论探讨了离子强度工程如何影响PSA特异性适配体-EGFET生物传感器中的静电耦合和时域稳定性。通过系统调节PBS浓度并应用Allan偏差分析，我们建立了一个定量框架，将EDL动态、噪声行为和场效应转导效率联系起来。
