用于提升阿尔茨海默病诊断能力的类淀粉纳米膜修饰抗污场效应晶体管生物传感器阵列

《Biosensors and Bioelectronics》：Amyloid-like nanofilm-decorated antifouling field effect transistor biosensor array for enhancing Alzheimer’s disease diagnosis

　　

Xin Wang|Jiajun Tong|Mengxin Wang|Bin Du|Hongqiang Wang|Hui Liu|Xiaohai Yang|Rong Mu|Kemin Wang|Xiaofeng Liu|Qing Wang

中国湖南省长沙市410082，湖南大学化学与化工学院化学与生物传感国家重点实验室、生物纳米技术与分子工程湖南省重点实验室

摘要

阿尔茨海默病是一种常见的神经退行性疾病。与单一生物标志物检测的有限特异性相比，多生物标志物联合检测能显著提高阿尔茨海默病的诊断准确性。本研究通过用淀粉样牛血清白蛋白纳米膜作为抗污层修饰碳纳米管表面，制备出一种具有四个独立功能化区域的场效应晶体管生物传感器阵列，可同时检测多种tau蛋白。该生物传感器具备出色的抗污性能，同时保持高灵敏度，对p-tau181、p-tau217、p-tau231和t-tau的检测限分别低至3.3 fg/mL、0.17 fg/mL、0.02 fg/mL和2.5 fg/mL。对35份临床血清样本的分析表明，p-tau181作为阿尔茨海默病诊断生物标志物的表现优于其他三种tau蛋白。进一步结合基于支持向量机的机器学习算法并采用多生物标志物协同检测后，阿尔茨海默病的诊断准确率可提升至接近100%。本研究为具有高临床应用价值的阵列式场效应晶体管生物传感器在精准检测阿尔茨海默病方面的应用提供了新思路。

引言

阿尔茨海默病是一种进行性神经退行性疾病，其特征是β-淀粉样蛋白异常在细胞外沉积，形成老年斑，同时tau蛋白过度磷酸化导致神经纤维缠结（Zhang等，2024）。这些病理变化会引发一系列连锁反应，包括突触功能障碍、神经元丢失以及持续的神经炎症，共同推动认知能力衰退的发展（Morris等，2022）。尽管已有大量研究，阿尔茨海默病至今仍无法治愈，现有药物仅能提供有限的症状缓解，且主要针对早期临床阶段，这凸显出时间窗口的重要性。因此，开发高效精准的早期筛查和诊断技术已成为阿尔茨海默病防控体系的关键（van Oostveen和de Lange，2021）。目前阿尔茨海默病的金标准诊断方法主要依赖于磁共振成像、正电子发射断层扫描以及脑脊液生物标志物检测，但这些方法成本高昂、具有侵入性，或不适合大规模筛查，从而限制了其临床应用价值。近年来，由于非侵入性、便捷性和高度重复性，血液生物标志物检测成为阿尔茨海默病早期筛查的有希望的方向（Cliff，2020；Feng等，2021；Scheltens等，2021；Teunissen等，2022；Thal等，2025）。

在众多血液生物标志物中，磷酸化tau蛋白因其极高的诊断特异性以及与疾病进展的强相关性而备受关注（Harten等，2021；Horie等，2023）。研究表明，在阿尔茨海默病进展过程中，不同亚型的p-tau表现出不同的动态表达特征：p-tau231可能在疾病早期就出现变化，可作为检测临床前期阿尔茨海默病的敏感指标；p-tau181在区分阿尔茨海默病与其他类型痴呆方面表现优异（Thijssen等，2020；Yang等，2018）。P-tau217与大脑中淀粉样斑块及tau蛋白缠结的程度呈现最强的相关性（Brum等，2023）。同时检测p-tau217、p-tau181、p-tau231和总tau蛋白，能够构建完整的阿尔茨海默病诊断谱，显著提升诊断精度。然而，这些蛋白质生物标志物在血液中的浓度极低（通常在fg/mL量级）（Blennow等，2010），且容易受到复杂样本的干扰。因此，亟需开发出灵敏度更高、特异性更强，并能实现多目标并行分析的检测方法。

场效应晶体管生物传感器为解决这些问题提供了有效方案（Kong等，2026；Zhang等，2025a；Zhang等，2025b）。其高灵敏度、快速响应、易于集成以及微型化的特点，恰好符合tau蛋白检测对灵敏度和通量的要求（Ciou等，2023；Gong等，2026；Wang等，2025）。不过，非特异性吸附问题会严重影响血液样本检测的精确度和可靠性（Frutiger等，2021）。为解决这一问题，已有研究开发了多种抗污方法，如聚合物类（Garcia-Chame等，2020；Kim等，2026；Li等，2025；Park等，2025；Piccinini等，2022；Shinde等，2025；Wang等，2026）、肽类（Zhu等，2026）以及框架核酸类（Wang等，2022）。但由于这些方法对特定功能基团和界面的选择性，以及修饰步骤的复杂性，其应用范围存在局限（Zhang等，2025a）。AL-BSA纳米膜在多种界面上都表现出良好的兼容性，制备速度快、均匀性高，且抗污性能优异（Hu等，2020；Wu等，2024；Zhao等，2023）。我们之前的研究表明，AL-BSA纳米膜能与场效应晶体管生物传感器良好兼容，可提升其在界面处的稳定性和抗污能力（Wang等，2025）。这一改进使得血液样本中tau蛋白水平的检测更加准确可靠，为研发用于早期识别阿尔茨海默病的先进诊断仪器奠定了基础。

本研究设计了一种经AL-BSA纳米膜修饰的碳纳米管场效应晶体管生物传感器阵列芯片（AL-FET-BA），该芯片具有很强的抗污能力，可用于多种tau蛋白的分析（图1）。通过微喷墨打印机，可在AL-FET-BA芯片的通道表面精确修饰抗体，从而形成四个功能化区域，构建出“一对多”的生物传感器阵列，可灵敏检测p-tau181、p-tau217、p-tau231和t-tau。该生物传感器阵列能够检测低至fg/mL级别的多种tau蛋白。此外，通过引入线性支持向量机分类算法，该芯片在分析20名阿尔茨海默病患者和15名健康对照者的35份血清样本时，实现了接近100%的诊断准确率，充分体现了该生物传感器阵列在阿尔茨海默病诊断中的临床应用潜力。

章节节选

类似淀粉样蛋白的BSA修饰CNT-FET生物传感器

为制备类似淀粉样蛋白的BSA（AL-BSA），将5 mg/mL的BSA溶液与50 mM的TCEP溶液按1:1的体积比混合，使用NaOH将溶液pH值调节至5.0。随后将5 μL的混合溶液或1%的BSA溶液涂覆在CNT-FET器件的表面，置于25 °C下培养2小时。之后用去离子水冲洗这些器件，并在氮气环境下干燥。将经过处理的AL-BSA修饰的CNT-FET器件装入喷墨打印机中，通过0.22 μm的滤膜过滤缓冲溶液，

CNT-FET生物传感器阵列的制备

如图1a所示，CNT-FET器件包含碳纳米管通道，以及用于源极和漏极的Ti/Pd/Au电极，还有用于栅极的Ag/AgCl电极。此前研究中的实验部分详细描述了CNT-FET器件的微加工工艺，见图S1。图1b展示了CNT-FET器件的光学显微镜图像，可见每个芯片上包含8个CNT-FET器件。芯片表面先涂覆光刻胶（S1813），使通道区域暴露出来

结论

本研究开发了一种具有抗污功能的场效应晶体管生物传感器阵列，可通过喷墨打印机的点对点功能整合四个不同的功能化区域，用于多种阿尔茨海默病生物标志物的检测。抗原与抗体的特异性结合会引发电信号变化，即源极电流向漏极电流转变。各个功能化区域可独立工作，从而确保生物传感器阵列具有高特异性和高灵敏度，进一步提升检测性能

CRediT作者贡献说明

Xin Wang：撰写——初稿、方法学、实验研究、数据整理。Qing Wang：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供、项目管理、资金筹集。Xiaofeng Liu：撰写——审阅与编辑、监督、资源提供、资金筹集。Hui Liu：方法学、实验研究。Bin Du：方法学、实验研究。Mengxin Wang：方法学、实验研究。Jiajun Tong：方法学、实验研究、数据整理。Kemin Wang：资源提供、项目管理。Rong Mu：

未引用参考文献

Shinde和Lee，2025；Wang等人，2024。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号22574047、22074032）、湖南省自然科学基金（编号2024JJ6425）、生态环境部重金属污染物监测重点实验室的开放资助项目（编号KLMHM202504），以及湘潭市科学技术局的重点项目（编号ZX-ZD20240001）的支持。