基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的適配體生物傳感器用于傷口愈合程度監(jiān)測

近日，正在美國西北大學(xué)擔(dān)任博士后的計(jì)旭東，研發(fā)出一款新型集成參比電極的有機(jī)電化學(xué)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(shí)，在靈敏度上高出3-4個(gè)數(shù)量級（3000-12000倍）。

同時(shí)，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(biāo)。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(yīng)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(biāo)，包括葡萄糖、乳酸、酸堿度等信號。市面上的血糖儀就是一個(gè)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?yàn)樯镒R別元素對于檢測目標(biāo)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(biāo)。

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(yīng)的檢測目標(biāo)，并通過和目標(biāo)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(jìn)行多樣的化學(xué)修飾等優(yōu)點(diǎn)，所以基于適配體的生物傳感器，是目前的研究熱點(diǎn)之一。

當(dāng)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(biāo)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(xué)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(biāo)結(jié)合之后，它的形狀和結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，所以氧化還原探針和金電極之間的距離也會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)讓電化學(xué)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(biāo)的濃度相關(guān)。因此，可以通過金電極上電流變化的大小，來標(biāo)定檢測目標(biāo)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(biāo)和應(yīng)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(guān)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(huì)更小。

在這種情況下，就要在后端進(jìn)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(huì)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(diǎn)原位放大檢測的電流信號，并在提高檢測精度的同時(shí)，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(gè)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(yīng)對應(yīng)的檢測目標(biāo)；（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(gè)閉合回路來傳遞電流。

在此前研究中，學(xué)界主要感興趣的是工作電極上所發(fā)生的反應(yīng)，而對電極則常常被人忽視，而在本次工作里，該團(tuán)隊(duì)試圖使用對電極，來對工作電極上的電流進(jìn)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(dǎo)電聚合物，離子的注入會(huì)改變它的摻雜程度，同時(shí)會(huì)使它的電導(dǎo)率發(fā)生4-5個(gè)數(shù)量級的變化。當(dāng)該團(tuán)隊(duì)使用PEDOT:PSS作為對電極的時(shí)候，工作電極上的電子傳輸，會(huì)對電極產(chǎn)生離子注入。如果將額外兩個(gè)電極放置在對電極底下，則可以測量對電極的電導(dǎo)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(jī)電化學(xué)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(jī)電化學(xué)晶體管。

為了驗(yàn)證這款晶體管的性能，計(jì)旭東等人用它來檢測轉(zhuǎn)化生長因子β1（TGF-β1）。在控制細(xì)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(jì)提出40個(gè)問題

計(jì)旭東表示：“這個(gè)課題始于美國國防部的一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目由多個(gè)大學(xué)和研究機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和治療，從而提高傷口愈合速度?！?/p>

計(jì)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(xué)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(gè)重要的指標(biāo)。

所以，在這個(gè)大項(xiàng)目里他們的任務(wù)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(shí)在生物傳感器領(lǐng)域中，有機(jī)電化學(xué)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(jī)電化學(xué)晶體管方面有很多經(jīng)驗(yàn)，所以我在和導(dǎo)師討論之后，決定使用有機(jī)電化學(xué)晶體管來作為原位放大器，同時(shí)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(xiàn)報(bào)道的同類傳感器的結(jié)構(gòu)，他們進(jìn)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(shí)，他們在想為什么不換個(gè)想法：即在基于適配體的生物傳感器的基礎(chǔ)之上，來開發(fā)一款新的有機(jī)電化學(xué)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(shí)可以讓晶體管發(fā)揮放大作用。相當(dāng)于一個(gè)耦合的系統(tǒng)，同時(shí)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(jì)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(huì)受到影響。

同時(shí)，在PEDOT:PSS底下再制備兩個(gè)電極，來當(dāng)做晶體管的源電極和漏電極；而感應(yīng)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(jī)電化學(xué)晶體管。

“有了這個(gè)點(diǎn)子之后，我們開始著手器件設(shè)計(jì)和制備。我們想實(shí)現(xiàn)單片的集成，也就是把不同部分同時(shí)制備在同一片基底上，這樣會(huì)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(jìn)行多次光刻、物理化學(xué)蒸鍍、電極修飾等。

為此，計(jì)旭東耗時(shí)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(gè)審稿人累計(jì)提出將近40個(gè)問題，如何回答好每一個(gè)問題確實(shí)讓人很頭疼?！?/p>

收到審稿意見之后，計(jì)旭東整整一個(gè)月之內(nèi)都在思考到底需要補(bǔ)哪些實(shí)驗(yàn)、補(bǔ)哪些數(shù)據(jù)分析。

“在和導(dǎo)師討論之后，我就開始瘋狂補(bǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最厲害的一周基本每天晚上都得到凌晨四點(diǎn)才能睡覺。每晚都會(huì)躡手躡腳地鉆進(jìn)被窩，生怕影響到家屬休息?！彼f。

最終他和同事提交的回復(fù)意見超過了一萬字，幾乎是論文正文的兩倍。那段時(shí)間雖然很辛苦，但在第二次收到審稿意見時(shí)，審稿人完全肯定了這項(xiàng)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?！庇?jì)旭東說。

最終，相關(guān)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(jì)旭東是第一作者，美國西北大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系喬納森·里夫內(nèi)（Jonathan Rivnay）教授擔(dān)任通訊作者。

但是，要想進(jìn)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(jìn)而提高器件的檢測極限。

同時(shí)，他們還會(huì)在對電極上使用更加穩(wěn)定的導(dǎo)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(jìn)一步提高器件的穩(wěn)定性。

另外，課題組還計(jì)劃在動(dòng)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(xué)、匹茲堡大學(xué)、萊斯大學(xué)、布魯克陸軍醫(yī)療中心合作進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，希望不久之后就能發(fā)表新論文?！庇?jì)旭東說。