一种全二维范德瓦尔斯结型场效应晶体管（Junction-FET）生物传感器，结合外部电容检测技术，可实现肝癌生物标志物的快速、无标记检测

《Biosensors and Bioelectronics》：All 2D van der Waals Junction-FET Biosensor with External Capacitive Sensing for Rapid, Label-Free Detection of Liver Cancer Biomarkers

肝疾病标志物检测中，一种基于范德华结场效应晶体管（vdW JFET）与金属-绝缘体-金属（MIM）电容的集成式生物传感器平台被开发。该设计通过伪浮栅结构实现传感界面与晶体管活性通道的物理隔离，有效降低电荷捕获和滞回效应，使设备可重复使用且稳定性显著提升。实验采用3D肝细胞球模型检测人血清白蛋白和AFP-L3等肝标志物，检测限达0.1 ng/mL以下，动态范围覆盖0.1-1 mg/mL，克服传统ELISA的局限性，为便携式、高精度临床诊断提供新方案。

　　

朴瑟松|李根浩|徐俊基|余诗恩|李俊民|李英塔克

韩国仁川市米丘霍尔区仁荷路100号，仁荷大学电气与计算机工程系，邮编22212

摘要

准确、无标记地检测疾病特异性生物标志物对于早期诊断和治疗监测至关重要。本文介绍了一种基于范德华（vdW）结场效应晶体管（JFET）的可重复使用且超灵敏的生物传感器平台，该平台集成了外部金属-绝缘体-金属（MIM）电容器。这种伪浮动栅极配置将传感界面与晶体管的活性通道物理分离，从而最小化了电荷捕获现象，消除了滞后现象，并实现了稳定的动态阶跃响应测量和设备的重复使用。该架构能够快速、无标记地检测肝脏生物标志物——人血清白蛋白和AFP-L3，检测限低于0.1 ng/mL，动态范围为0.1 ng/mL至1 mg/mL，解决了传统ELISA检测方法的关键局限性。此外，我们通过使用3D肝细胞球体疾病模型评估了该设备的转化潜力，以检测生理相关背景下的药物诱导的生物标志物分泌变化。值得注意的是，该设备能够显示出细胞系特异性的生物标志物响应，突显了其在解析细微且生理上有意义的分泌动态变化方面的能力。总体而言，这项工作为高性能生物传感器引入了一种通用的传感策略，结合了电气稳健性、分析精度和临床适用性，为临床前研究和临床诊断的下一代技术奠定了基础。

引言

医疗技术和诊断仪器的最新进展显著延长了人类的预期寿命，因此越来越重视长期健康维护和疾病的早期管理。在这一背景下，现代医学的一个关键目标是通过对个体生理和代谢状态的持续监测，实现包括难治性和慢性疾病在内的疾病的早期检测和及时治疗（Chao等人，2021；Jafleh等人，2024；Li等人，2020）。因此，检测与病理变化相关的生物标志物起着至关重要的作用。传统的临床生物标志物分析方法，如酶联免疫吸附测定（ELISA）、Western blotting和聚合酶链反应（PCR）已被广泛使用。然而，这些技术需要熟练的操作人员、昂贵的实验室设备以及较长的分析时间（Jayanthi等人，2017；Swierczewska等人，2012）。此外，这些方法要求患者前往集中式的医疗设施进行检测，这在时间、成本和可及性方面带来了显著的限制。在快节奏的现代社会中，人们对方便、快速和准确的健康监测解决方案的需求日益增长，这些解决方案应能在用户方便的时间和地点获得。这种诊断技术需求的变化推动了微型化、便携式生物传感器的发展，这些传感器能够检测血液或体液中微量水平的生物标志物。特别是，智能设备和可穿戴平台的集成加速了紧凑型传感器技术的创新，为连续和用户友好的健康监测系统提供了新的可能性和发展。

在各种传感平台中，基于金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET）的生物传感器因其集成优势（Choi等人，2012；Dai等人，2019；Wu等人，2023；Xue等人，2022）、微型化（Derkus，2016；Huang等人，2021；Zhang等人，2025）、快速信号响应（Kim等人，2022；Seo等人，2020；Zhou等人，2022）和高灵敏度（Hyun和Cho，2023；Lin等人，2017；Zhou等人，2022）而受到了广泛关注。然而，传统的MISFET生物传感器通常通过将生物分子直接固定在活性通道表面或栅极电极上来工作（Kalra等人，2020；Lee等人，2014；Sedki等人，2020；Shavanova等人，2016；Sung和Koo，2021）。这种方法不仅限制了设备的重复使用性，还使其容易退化，因为高工作电压可能导致脆弱生物材料的脱落或变性，从而影响长期稳定性。此外，FET设备的MIS结构之间的不良界面特性常常会导致滞后环和设备退化，从而导致显著的测量误差和传感可靠性降低（见图S1）。为了克服这些限制，最近的研究开始将二维（2D）范德华（vdW）材料（如石墨烯和过渡金属硫属化合物）纳入FET传感器的应用中（Dai等人，2022；Hou等人，2022；Mohammadpour-Haratbar等人，2023；Sarkar等人，2014）。这些材料因其独特的物理性质而具有多种内在优势：高载流子迁移率（来自单晶性质）；理想的界面性质（来自无悬挂键的vdW界面）；以及出色的表面积与体积比（来自原子级薄的2D结构）。这些属性使得2D材料特别适合在低工作电压下进行无标记、快速的生物传感。然而，尽管具有这些优势，大多数2D FET传感器仍然依赖于活性表面的直接生物功能化，这仍然是一个主要挑战（Chen等人，2023；Ghasemi和Salimi，2023；Hao等人，2023；Sedki等人，2020）。这种方法会导致电荷捕获、增加的滞后现象以及设备在复杂生物环境下的退化，最终影响设备的稳定性、传感可靠性和长期重复性。

在这项研究中，我们提出了一种基于2D材料的生物传感平台，该平台采用电稳定且坚固的结场效应晶体管（JFET）作为信号读出单元，并集成了空间分离的金属-绝缘体-金属（MIM）电容器作为选择性传感位点。通过采用伪浮动栅极配置，这种架构有效地将传感界面与活性通道分离。这种结构分离减少了滞后现象，降低了交叉干扰，提高了设备稳定性、重复使用性和长期操作可靠性，同时不牺牲灵敏度。

为了在生理相关背景下验证我们的生物传感器，我们使用来自HepG2和Huh-7细胞系的3D肝细胞球体建立了肝癌模型。这些球体会将肝脏特异性和癌症相关的生物标志物（包括白蛋白（Carr和Guerra，2017；Hillaire等人，1994）、AFP-L3（Li等人，2001；Ma等人，2017；Zhou等人，2021）和GPC-3（Shih等人，2020；Yamauchi等人，2005）分泌到培养基中，随后用作传感样本（图1a）。这种策略能够从复杂的生物流体中选择性地检测目标生物标志物，并为评估传感器的特异性、灵敏度和转化相关性提供了严格的基准。尽管ELISA仍然是生物标志物定量的金标准，但它存在一些实际限制，包括较长的检测时间（约6小时）、依赖笨重的光学仪器、狭窄的动态检测范围（通常为1–100 ng/mL），以及需要预稀释高浓度样本。此外，ELISA缺乏便携性和快速传感能力，使其不适合用于即时护理或现场应用（Lee等人，2024；Rodpai等人，2021）。

相比之下，所提出的平台集成了基于2D vdW结的FET设备和分离的MIM电容器，分别作为读出单元和功能传感位点（Lee等人，2021）。这种配置能够在保持2D半导体基JFET的低功耗操作（约0.6 V）特性的同时，实现精确的电学测量（滞后约10 μV）（Hu等人，2024；Lim等人，2018；Qian等人，2019；Yu等人，2024）。分离的传感界面允许选择性生物功能化，而无需半导体活性设备直接接触生物流体，从而最小化了污染并实现了传感器的重复使用。此外，预功能化的电容传感器可以大规模生产，并且可以轻松与活性设备集成，将样本到结果的时间缩短到30分钟以内（图1b）。总体而言，所提出的传感平台被证明是传统免疫测定的有效替代方案，确保了高选择性和准确性，同时实现了更快的检测速度、更宽的动态检测范围和更好的临床生物传感应用集成性。

节选内容

JFET器件制备

玻璃基底依次用丙酮、乙醇和异丙醇（IPA）进行超声清洗，每种清洗15分钟。2D vdW材料如MoS₂、WSe₂、石墨烯和h-BN使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）机械剥离。然后使用光学显微镜（OM）辅助的干转移方法将剥离的薄片直接转移到玻璃基底上。通过依次堆叠2D纳米片形成JFET结构，包括源极（S）、漏极（D）和栅极

JFET传感器架构和电气稳定性评估

在这项研究中，我们在玻璃基底上制备了一个基于p-WSe₂/n-MoS₂异质结的FET（图2a）。为了最小化悬挂键和界面陷阱的影响，首先在玻璃基底上放置了一层h-BN缓冲层。然后依次转移垂直堆叠的石墨烯/WSe₂结栅极、n型MoS₂活性通道、石墨烯源极和漏极电极（S/D）以及顶部的h-BN钝化层，构建了JFET器件，如图2中的3D器件示意图所示

结论

在这项研究中，我们开发了一种可重复使用、无标记的生物传感平台，该平台基于vdW JFET读出单元，并集成了空间分离的MIM电容器作为传感界面。这种架构将生物识别位点与半导体通道分离，从而最小化了滞后现象（约10 μV），防止了电荷捕获、物理和化学污染，并显著提高了设备的稳定性和重复使用性。该平台展示了高灵敏度（检测限<0.1 ng/mL）

CRediT作者贡献声明

李根浩：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、正式分析、数据管理。朴瑟松：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、正式分析、数据管理。余诗恩：方法学、研究、正式分析。徐俊基：可视化、验证、方法学、研究。李俊民：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目管理、研究、资金获取，

数据可用性

数据将应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

Y.T.L.感谢韩国国家研究基金会（NRF）（授权号RS-2025-16071033）的财政支持。J. L.感谢韩国政府（MSIT）资助的NRF（授权号RS-2023-00211096、RS-2023-00260454和RS-2024-00403376）的财政支持，以及全球30项目（生物医学工程中心）的支持。