清華大學在生物信號分子一氧化氮體檢測方面的應用上取得進展_風聞

近日，清華大學材料學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，設計製備了基於有機電化學晶體管的可無線控制、傳輸的具有高靈敏度的柔性一氧化氮傳感器，在細胞、組織、生物活體等多個層面實現了對一氧化氮的無線、實時、連續監測。該研究成果為慢性疾病的早期診斷和及時的醫療干預提供了有效的工具手段。

圖1. 基於有機電化學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中產生的一種高度不穩定的信號分子，在調節免疫、心血管和神經系統方面發揮着重要作用。異常的一氧化氮濃度往往與體內的炎症反應強相關，因此，一氧化氮可能作為關節腔內早期診斷骨關節炎的生物標誌物。實時評估關節腔中的相關生物標誌物（如一氧化氮），可以在骨關節炎初始階段揭示病理演變，為骨關節炎的治療優化提供必要信息。

本工作提出了一種基於有機電化學晶體管的具有高靈敏度的柔性一氧化氮生物傳感器，通過設計晶體管有機溝道的幾何形狀和柵極材料，實現了器件對一氧化氮信號的最佳放大。與傳統電化學傳感器相比，該傳感器具有低響應極限、寬線性範圍、高靈敏度和優良的選擇性，並具有小型化的傳感區域。

圖2. 基於有機電化學晶體管的無線柔性一氧化氮傳感器的結構設計

在生物實驗中，該傳感器能夠連續檢測軟骨細胞釋放的納摩爾級別內的一氧化氮長達數小時，且檢測前後器件沒有明顯的信號漂移。此外，結合定製的無線電路模塊，實現了在前交叉韌帶斷裂損傷的新西蘭大白兔關節腔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節的後期病變有關，為創傷後骨性關節炎的早期診斷和預防性治療提供了關鍵信息。

圖3. 傳感器對細胞、生物活體內一氧化氮的實時連續監測

該成果近期發表於《美國科學院院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences USA），題為“面向連續和無線一氧化氮檢測的一種基於有機電化學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材料學院尹斕副教授和清華大學電子系張沕琳副教授。清華大學材料學院2018級博士生鄧雨平、北京創傷骨科研究所副研究員綦惠、清華大學電子系2019級博士生馬源以及賓夕法尼亞州州立大學工程科學與力學系2020級碩士生劉尚斌為共同第一作者，合作者包括清華大學材料學院、電子系、北京大學工學院、北京理工大學、北京市創傷骨科研究所、賓夕法尼亞州州立大學、京津冀國家技術創新中心、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基金、清華大學-北京協和醫院合作專項等支持。（供稿：清華大學）