近日，清華大學(xué)材料學(xué)院尹斕副教授課題組與電子工程系張沕琳副教授課題組等合作，設(shè)計制備了基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的可無線控制、傳輸?shù)木哂懈哽`敏度的柔性一氧化氮傳感器，在細(xì)胞、組織、生物活體等多個層面實現(xiàn)了對一氧化氮的無線、實時、連續(xù)監(jiān)測。該研究成果為慢性疾病的早期診斷和及時的醫(yī)療干預(yù)提供了有效的工具手段。

圖1. 基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的無線柔性一氧化氮傳感器的工作示意圖

一氧化氮是一氧化氮合酶在生物系統(tǒng)中產(chǎn)生的一種高度不穩(wěn)定的信號分子，在調(diào)節(jié)免疫、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)方面發(fā)揮著重要作用。異常的一氧化氮濃度往往與體內(nèi)的炎癥反應(yīng)強(qiáng)相關(guān)，因此，一氧化氮可能作為關(guān)節(jié)腔內(nèi)早期診斷骨關(guān)節(jié)炎的生物標(biāo)志物。實時評估關(guān)節(jié)腔中的相關(guān)生物標(biāo)志物（如一氧化氮），可以在骨關(guān)節(jié)炎初始階段揭示病理演變，為骨關(guān)節(jié)炎的治療優(yōu)化提供必要信息。

本工作提出了一種基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的具有高靈敏度的柔性一氧化氮生物傳感器，通過設(shè)計晶體管有機(jī)溝道的幾何形狀和柵極材料，實現(xiàn)了器件對一氧化氮信號的最佳放大。與傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器相比，該傳感器具有低響應(yīng)極限、寬線性范圍、高靈敏度和優(yōu)良的選擇性，并具有小型化的傳感區(qū)域。

圖2. 基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的無線柔性一氧化氮傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在生物實驗中，該傳感器能夠連續(xù)檢測軟骨細(xì)胞釋放的納摩爾級別內(nèi)的一氧化氮長達(dá)數(shù)小時，且檢測前后器件沒有明顯的信號漂移。此外，結(jié)合定制的無線電路模塊，實現(xiàn)了在前交叉韌帶斷裂損傷的新西蘭大白兔關(guān)節(jié)腔8天的一氧化氮實時、無線測量，實驗觀察到的高水平一氧化氮濃度與骨關(guān)節(jié)的后期病變有關(guān)，為創(chuàng)傷后骨性關(guān)節(jié)炎的早期診斷和預(yù)防性治療提供了關(guān)鍵信息。

圖3. 傳感器對細(xì)胞、生物活體內(nèi)一氧化氮的實時連續(xù)監(jiān)測

該成果近期發(fā)表于《美國科學(xué)院院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences USA），題為“面向連續(xù)和無線一氧化氮檢測的一種基于有機(jī)電化學(xué)晶體管的柔性生物傳感器”（A flexible and highly sensitive organic electrochemical transistor-based biosensor for continuous and wireless nitric oxide detection）。

本文的通訊作者為清華大學(xué)材料學(xué)院尹斕副教授和清華大學(xué)電子系張沕琳副教授。清華大學(xué)材料學(xué)院2018級博士生鄧雨平、北京創(chuàng)傷骨科研究所副研究員綦惠、清華大學(xué)電子系2019級博士生馬源以及賓夕法尼亞州州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)系2020級碩士生劉尚斌為共同第一作者，合作者包括清華大學(xué)材料學(xué)院、電子系、北京大學(xué)工學(xué)院、北京理工大學(xué)、北京市創(chuàng)傷骨科研究所、賓夕法尼亞州州立大學(xué)、京津冀國家技術(shù)創(chuàng)新中心、北京斯微智感科技有限公司等單位。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)-北京協(xié)和醫(yī)院合作專項等支持。（供稿：清華大學(xué)）