用于复杂生物流体中可靠 D-二聚体定量的多信号栅极阵列 OFET 平台

《Talanta》：Multi-signal gate-array OFET platform for reliable D-Dimer quantification in complex biofluids

　　

摘要

实时、高灵敏度生物传感器对于个性化医疗至关重要，能够实现疾病的早期诊断和持续监测。有机场效应晶体管（OFET）传感器提供了无标记检测、快速响应和低成本，但噪声干扰和固有的架构限制阻碍了其在高通量、多信号分析中的应用。为解决这些问题，本研究提出了一种基于栅极阵列的 OFET 生物传感器，提高了检测灵敏度、稳定性和分析通量。集成的栅极阵列架构和信号调制策略能够快速获取多条转移曲线，从而高效分析未知样品的浓度。为验证该方法，该传感器检测了血栓生物标志物 D-二聚体，在 PBS 中的超低检测限为 0.354 ng/mL，远低于临床阈值，并在人血清和患者样本中表现可靠。这项工作引入了一个稳健的平台，用于复杂生物环境中的高通量、多目标检测，推动了下一代生物医学诊断和个性化医疗的发展。

引言

生物传感技术是现代医疗的支柱，能够实现疾病的早期检测、监测和个性化医疗 [[1], [2], [3], [4]]。在这些技术中 [5,6]，有机场效应晶体管（OFET）传感器由于其无标记检测能力 [7]、快速响应时间 [8]、极小的样品体积需求、低成本 [9] 以及无缝的设备集成 [10,11] 而成为一个有前途的平台。这些特性结合其卓越的灵敏度和便携性，使 OFET 传感器成为疾病诊断 [12]、环境安全监测 [[13], [14], [15]] 和各种生物医学场景 [[16], [17], [18]] 应用的理想选择。除了基于 OFET 的平台外，其他场效应晶体管（FET）生物传感器，特别是石墨烯基场效应晶体管（GFETs），也因通过柔性架构、高载流子迁移率和先进的界面工程进行高灵敏度生物分子检测而引起了广泛关注 [19]。最近的研究报道了用于检测核酸 [20]、病毒生物标志物 [21,22] 和蛋白质 [23] 的 GFET 平台，受益于优化的界面、液体栅极策略和多路复用传感架构。然而，由于非特异性吸附、信号不稳定以及集成多生物标志物分析能力有限，将 FET 生物传感器转化为实际的临床应用仍然充满挑战 [[24], [25], [26]]。在 FET 平台中，OFET 提供了独特的优势，包括溶液加工性、机械柔性和与大尺寸集成的兼容性。通过材料改性 [[27], [28], [29]]、界面工程 [30,31] 和设备架构优化 [32] 对 OFET 技术的持续改进，进一步提高了设备的可靠性和传感性能 [[33], [34], [35], [36]]。例如，掺入抗氧化添加剂 [37] 和分子掺杂策略 [38] 已被证明可以抑制氧化降解和电荷捕获，从而增强 OFET 设备在复杂环境条件下的操作稳定性。此外，二维材料 [39] 和柔性半导体 [40] 的集成改善了界面电荷传输、机械柔性和与动态生物系统的兼容性 [41,42]，进一步扩大了基于 OFET 的生物传感器在复杂生物环境中的适用性。

引入了一种新颖的基于栅极阵列的平台（方案 1），通过将平面栅极阵列结构与电容传感单元集成，以增强 OFET 生物传感器的稳定性和鲁棒性。与传统的扩展栅极 OFET 配置不同，在传统的扩展栅极 OFET 配置中，暴露的电极/电解质界面的不稳定性会直接影响晶体管操作，所提出的架构通过电容耦合设计将传感界面与有机晶体管物理隔离。平面栅极配置提供了标准化的传感几何形状，并实现了可重复的生物功能化，而电容结构减少了由样品处理和环境变化引起的信号波动。该架构为复杂生物环境中的可靠多目标检测提供了稳健的策略。此外，OFET 在低电压下工作，降低了功耗，使其非常适合即时检测（POCT）设备和便携式家庭诊断系统。通过评估血栓疾病的关键生物标志物 D-二聚体，展示了其临床可行性，实现了超低检测限，超过了当前的临床标准，并确认了其适用于 POCT [43,44]。此外，集成微型 LED 照明系统通过根据样品浓度调节亮度来提供实时视觉反馈，增强了在分散式医疗环境中的可用性。这一特性使平台能够有效区分血栓样本和健康样本，展示了全面的诊断能力。

章节片段

设计原理

栅极阵列架构由具有扩展栅极传感区域的 OFET 换能器和读出平台组成，如图 1a 所示。该传感区域经过工程化设计，通过特定的抗体 - 抗原免疫反应在溶液中捕获分析物靶标。碳点（CDs）作为金扩展栅极上的界面功能化层。它们的巯基将 CDs 锚定到金表面，而丰富的羧基为 EDC/NHS 介导的

结论

总之，我们开发了一种基于栅极阵列的 OFET 生物传感平台，结合了高灵敏度、操作稳定性和可视化信号输出，用于快速生物标志物检测。得益于平面栅极阵列架构，该设备实现了可靠和高通量的传感，对 D-二聚体的超低检测限为 0.354 ng/mL，同时在低于 3 V 的电压下工作。集成的电容传感结构和物理隔离的 OFET 沟道提高了信号稳定性和

材料

C₁₀-DNTT (≥99.0%) 和 F₄-TCNQ (99.0%) 购自 Lumtec，而柠檬酸和柠檬酸钠购自 Sigma-Aldrich。玻璃载玻片购自 Biologix Group。所有材料直接使用前无需进一步纯化。

D-二聚体单克隆抗体（货号 K65f1）和人 D-二聚体抗原（货号 C1564）购自南京优凯生物科技有限公司。N-(3-二甲基氨基丙基)-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC，货号 03449）和

CRediT 作者贡献声明

Jing Zhang: 写作 - 初稿，资金获取，数据整理，概念化。Qi-Ting Wang: 写作 - 初稿，方法论，数据整理。Tian-Tian Song: 数据整理。Bin Liu: 资源。Shan-Shan Cheng: 写作 - 审查和编辑，资金获取，概念化。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能出现在影响本文报告的工作中。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金 (22274112,22442025)、天津市自然科学基金 (24JCYBJC01340) 和四川科技工程大学 人才引进项目 (2025RCZ040) 的支持。作者感谢 Fang-Hui Wang（来自科研罗盘，www.shiyanjia.com）在 XPS 分析中提供的宝贵帮助。

Jing Zhang|Qi-Ting Wang|Tian-Tian Song|Bin Liu|Shan-Shan Cheng

智能传感先进材料国家重点实验室，教育部有机集成电路重点实验室 & 天津分子光电子科学重点实验室，天津大学理学院化学系 & 分子聚集科学研究所，中国，天津，300072