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

相比傳統的基于適配體的生物傳感器，該晶體管在檢測轉化生長因子β1時，在靈敏度上高出3-4個數量級（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、人體健康監測、現場快速檢測、柔性可穿戴傳感器、以及體內生物信息的連續檢測上，它都具有一定的應用潛力。

? ? ? ??

（來源：Nature Communications）

如何優化傳統的器件檢測？

生物傳感器的主要功能是檢測人體內的各種生物指標，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構成，可以識別對應的檢測目標，并通過和目標的結合來改變自己的結構。

適配體具備合成方便、合成周期短、穩定性好、且容易進行多樣的化學修飾等優點，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合之后，它的形狀和結構會發生變化，所以氧化還原探針和金電極之間的距離也會發生變化，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。

要想開發可以在體內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、以及信號放大等數據處理過程。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生4-5個數量級的變化。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。

這種結構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合作，旨在開發一種多功能的貼片，并使用這款貼片來對大面積創傷傷口進行實時診斷和治療，從而提高傷口愈合速度。”

計旭東所在的課題組專精于生物傳感器的開發，而他們的合作者——來自美國匹茲堡大學的研究人員發現，在狗的大腿傷口愈合的過程中，轉化生長因子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：開發出一種高靈敏度的轉化生長因子β1傳感器。

在早期調研過程中，他們就發現已有研究人員使用基于適配體的生物傳感器來檢測轉化生長因子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。“再加上我們課題組在有機電化學晶體管方面有很多經驗，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，同時結合基于適配體的生物傳感器，來開發一種高靈敏度的新型轉化生長因子β1傳感器。”

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

對于多篇文獻報道的同類傳感器的結構，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揮放大作用。相當于一個耦合的系統，同時具備兩種器件的優勢。

在研究基于適配體的生物傳感器、以及晶體管的結構和工作原理之后，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。”

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，在超凈間里經過幾十次嘗試之后，終于摸索出一套穩定的制備過程。

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都在思考到底需要補哪些實驗、補哪些數據分析。

“在和導師討論之后，我就開始瘋狂補實驗數據，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。”他說。

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”為題發在Nature Communications期刊上，計旭東是第一作者，美國西北大學生物醫學工程系喬納森·里夫內（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定性和檢測極限，就得考慮在工作電極上使用納米結構的金，借此來提高適配體的附著數量，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定的導電聚合物，以及在適配體上使用更穩定的氧化還原探針，以便進一步提高器件的穩定性。

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基梅隆大學、匹茲堡大學、萊斯大學、布魯克陸軍醫療中心合作進行體內實驗，希望不久之后就能發表新論文。”計旭東說。