近日，正在美國西北大學擔任博士后的計旭東，研發(fā)出一款新型集成參比電極的有機電化學晶體管。

相比傳統(tǒng)的基于適配體的生物傳感器，該晶體管在檢測轉(zhuǎn)化生長因子β1時，在靈敏度上高出3-4個數(shù)量級（3000-12000倍）。

同時，這款晶體管具有較好的普適性，并不局限于特定的檢測目標。因此，對于發(fā)展高靈敏度，以及高空間分辨率的多通道生物傳感器來說，這款晶體管將起到重要作用。

在疾病早期診斷、人體健康監(jiān)測、現(xiàn)場快速檢測、柔性可穿戴傳感器、以及體內(nèi)生物信息的連續(xù)檢測上，它都具有一定的應用潛力。

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（來源：Nature Communications）

如何優(yōu)化傳統(tǒng)的器件檢測？

生物傳感器的主要功能是檢測人體內(nèi)的各種生物指標，包括葡萄糖、乳酸、酸堿度等信號。市面上的血糖儀就是一個最具代表性的產(chǎn)品。

對于生物傳感器來說，最重要的組成部分之一就是生物識別元素。正是因為生物識別元素對于檢測目標的選擇性識別，才讓生物傳感器可以檢測到需要檢測的目標。

目前，生物傳感器的種類有很多。而本次工作主要著眼于基于適配體的生物傳感器，即研究如何在原位放大傳感器所得到的信號。

適配體是生物識別元素的其中一種，它主要由短鏈單鏈DNA構(gòu)成，可以識別對應的檢測目標，并通過和目標的結(jié)合來改變自己的結(jié)構(gòu)。

適配體具備合成方便、合成周期短、穩(wěn)定性好、且容易進行多樣的化學修飾等優(yōu)點，所以基于適配體的生物傳感器，是目前的研究熱點之一。

當下，傳統(tǒng)的基于適配體的生物傳感器，主要是將氧化還原探針標記的適配體修飾在金電極之上。然后，在三電極系統(tǒng)下使用電化學工作站，來檢測氧化還原探針和金電極之間的電流。

適配體和檢測目標結(jié)合之后，它的形狀和結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，所以氧化還原探針和金電極之間的距離也會發(fā)生變化，這會讓電化學工作站檢測到變化的電流。電流變化的大小，直接和檢測目標的濃度相關。因此，可以通過金電極上電流變化的大小，來標定檢測目標的濃度。

盡管這類器件簡單易用，并已被用于不同的檢測目標和應用場景上，但依舊存在一定的局限性。

最大的問題在于，通過金電極上的電流很小，一般在幾十到幾百納安，而且電流和金電極的面積是直接相關的。

要想開發(fā)可以在體內(nèi)使用的高空間分辨率的多通道生物傳感器，金電極的面積勢必要被縮小，這樣一來檢測到的電流就會更小。

在這種情況下，就要在后端進行大量的噪音去除、以及信號放大等數(shù)據(jù)處理過程。而這不僅操作繁瑣，并且還會影響到器件的檢測精度。

（來源：Nature Communications）

基于此，本次研究主要著眼于如何在檢測的地點原位放大檢測的電流信號，并在提高檢測精度的同時，還能避免繁瑣的后端信號降噪和放大處理。

傳統(tǒng)的基于適配體的生物傳感器，一般包含三個電極：

（1）被適配體修飾過的金電極被用作工作電極，以用于感應對應的檢測目標；（2）銀/氯化銀電極被用作參比電極，以用于精確地控制工作電極表面的電勢；（3）鉑金一般被用做對電極，以用于和工作電極形成一個閉合回路來傳遞電流。

在此前研究中，學界主要感興趣的是工作電極上所發(fā)生的反應，而對電極則常常被人忽視，而在本次工作里，該團隊試圖使用對電極，來對工作電極上的電流進行放大。

具體來說，為了替代鉑金，他們使用聚（3,4-亞乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）來作為對電極。PEDOT:PSS是一種導電聚合物，離子的注入會改變它的摻雜程度，同時會使它的電導率發(fā)生4-5個數(shù)量級的變化。當該團隊使用PEDOT:PSS作為對電極的時候，工作電極上的電子傳輸，會對電極產(chǎn)生離子注入。如果將額外兩個電極放置在對電極底下，則可以測量對電極的電導率、或通過對電極的電流。通俗來說，通過改變對電極的材料，就能把工作電極上的小電流，放大為可以通過對電極的大電流。

這種結(jié)構(gòu)與有機電化學晶體管十分相似，只是多了額外的參比電極。針對這種新型器件，課題組把其命名為：集成參比電極的有機電化學晶體管。

為了驗證這款晶體管的性能，計旭東等人用它來檢測轉(zhuǎn)化生長因子β1（TGF-β1）。在控制細胞增殖分化、以及傷口愈合過程中，轉(zhuǎn)化生長因子β1扮演著重要角色。

（來源：Nature Communications）

三位審稿人累計提出40個問題

計旭東表示：“這個課題始于美國國防部的一個項目，該項目由多個大學和研究機構(gòu)合作，旨在開發(fā)一種多功能的貼片，并使用這款貼片來對大面積創(chuàng)傷傷口進行實時診斷和治療，從而提高傷口愈合速度?！?/p>

計旭東所在的課題組專精于生物傳感器的開發(fā)，而他們的合作者——來自美國匹茲堡大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，在狗的大腿傷口愈合的過程中，轉(zhuǎn)化生長因子β1的濃度是一個重要的指標。

所以，在這個大項目里他們的任務便是：開發(fā)出一種高靈敏度的轉(zhuǎn)化生長因子β1傳感器。

在早期調(diào)研過程中，他們就發(fā)現(xiàn)已有研究人員使用基于適配體的生物傳感器來檢測轉(zhuǎn)化生長因子β1，但是檢測的靈敏度很小。

同時在生物傳感器領域中，有機電化學晶體管被廣泛用作生物信號的放大器?！霸偌由衔覀冋n題組在有機電化學晶體管方面有很多經(jīng)驗，所以我在和導師討論之后，決定使用有機電化學晶體管來作為原位放大器，同時結(jié)合基于適配體的生物傳感器，來開發(fā)一種高靈敏度的新型轉(zhuǎn)化生長因子β1傳感器?！?/p>

一開始，他們并不清楚到底怎樣的器件結(jié)構(gòu)，才能最有效地放大和檢測轉(zhuǎn)化生長因子β1得到的信號。

對于多篇文獻報道的同類傳感器的結(jié)構(gòu)，他們進行了多次嘗試，即通過修飾晶體管的柵極，來測量不同濃度轉(zhuǎn)化生長因子β1對于晶體管溝道電流的影響。

但是，試過多次之后依舊不甚理想。這時，他們在想為什么不換個想法：即在基于適配體的生物傳感器的基礎之上，來開發(fā)一款新的有機電化學晶體管。

這樣一來，既不影響基于適配體的生物傳感器的工作原理，同時可以讓晶體管發(fā)揮放大作用。相當于一個耦合的系統(tǒng)，同時具備兩種器件的優(yōu)勢。

在研究基于適配體的生物傳感器、以及晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理之后，計旭東提出可以使用晶體管的溝道材料（PEDOT:PSS），來替換基于適配體的生物傳感器所用到的三電極系統(tǒng)中的對電極（鉑金）。

這樣的好處在于，基于適配體的生物傳感器仍能在三電極系統(tǒng)下工作，所以其工作原理不會受到影響。

同時，在PEDOT:PSS底下再制備兩個電極，來當做晶體管的源電極和漏電極；而感應轉(zhuǎn)化生長因子β1的工作電極，則可以作為柵極。

再考慮到額外的參比電極，那么該系統(tǒng)可被看做是集成了參比電極的有機電化學晶體管。

“有了這個點子之后，我們開始著手器件設計和制備。我們想實現(xiàn)單片的集成，也就是把不同部分同時制備在同一片基底上，這樣會對器件的小型化和易用性帶來幫助?！?/p>

但是，要考慮到器件不同部分之間的兼容性，所以需要在同一片基底上進行多次光刻、物理化學蒸鍍、電極修飾等。

為此，計旭東耗時半年，在超凈間里經(jīng)過幾十次嘗試之后，終于摸索出一套穩(wěn)定的制備過程。

但讓他沒想到的是，接下來的投稿過程并沒有想象中順利。他說：“雖然期刊編輯做出了大修的決定，這讓我們看到了發(fā)表的希望。但是，三個審稿人累計提出將近40個問題，如何回答好每一個問題確實讓人很頭疼。”

收到審稿意見之后，計旭東整整一個月之內(nèi)都在思考到底需要補哪些實驗、補哪些數(shù)據(jù)分析。

“在和導師討論之后，我就開始瘋狂補實驗數(shù)據(jù)，最厲害的一周基本每天晚上都得到凌晨四點才能睡覺。每晚都會躡手躡腳地鉆進被窩，生怕影響到家屬休息?！彼f。

最終他和同事提交的回復意見超過了一萬字，幾乎是論文正文的兩倍。那段時間雖然很辛苦，但在第二次收到審稿意見時，審稿人完全肯定了這項工作。

“這種通過自己努力讓別人轉(zhuǎn)變想法、肯定自己工作的感覺真的很有成就感，甚至超過了論文發(fā)表的喜悅。”計旭東說。

最終，相關論文以“Organic electrochemical transistors as on-site signal amplifiers for electrochemical aptamer-based sensing”為題發(fā)在Nature Communications期刊上，計旭東是第一作者，美國西北大學生物醫(yī)學工程系喬納森·里夫內(nèi)（Jonathan Rivnay）教授擔任通訊作者。

但是，要想進一步提高這款器件的穩(wěn)定性和檢測極限，就得考慮在工作電極上使用納米結(jié)構(gòu)的金，借此來提高適配體的附著數(shù)量，進而提高器件的檢測極限。

同時，他們還會在對電極上使用更加穩(wěn)定的導電聚合物，以及在適配體上使用更穩(wěn)定的氧化還原探針，以便進一步提高器件的穩(wěn)定性。

另外，課題組還計劃在動物（老鼠、狗和豬）的傷口模型里，使用16通道傳感器，來檢測轉(zhuǎn)化生長因子β1的濃度，從而幫助判斷傷口愈合的程度。

“目前我們正在和卡內(nèi)基梅隆大學、匹茲堡大學、萊斯大學、布魯克陸軍醫(yī)療中心合作進行體內(nèi)實驗，希望不久之后就能發(fā)表新論文?！庇嬓駯|說。