上海大学：可于复杂生物环境中实时监测生物标志物的即用型OECT生物传感器
大怪科学
近日，上海大学材料科学与工程学院朱波教授团队在开发可于复杂生物环境中实时监测生物标志物的即用型OECT生物传感器的相关研究中取得了重要进展，研究成果以“Ready-to-Use OECT Biosensor toward Rapid and Realtime Protein Detection in Complex Biological Environments”为题发表在国际化学一区顶刊《ACS sensors》（影响因子8.3）。高分子材料系博士生张守燕为论文第一作者，高分子材料系朱波教授、电子信息系唐可老师，土耳其埃格Arzum Erdem教授为论文的通讯作者。
近年来，有机电化学晶体管（OECT）在检测灵敏度上已达到实时荧光定量 PCR的水平，具备即时检测（POCT）能力，因而在生物传感领域得到了广泛关注。然而，OECT 在复杂生物样本中的应用仍面临非特异性结合的问题，进而导致检测信号失真或假阳性结果。传统的牛血清白蛋白（BSA）封闭法虽能抑制界面的非特异性作用，但其操作繁琐且耗时，同时封闭剂的带电性及批次差异会影响传感器的性能。此外，BSA 会因阻塞离子进出沟道而无法用于封闭沟道界面的非特异性作用位点，限制了 OECT 仅能在离线检测模式下应用。因此，开发一种兼具抗污染性、快速检测与高性能的即用型新型 OECT 生物传感器，成为突破OECT 在POCT 实际应用瓶颈的关键需求。因此，如何保持器件性能前提下实现对样本快速原位检测必须的优异抗污性能，是当前研究亟待解决的重要问题。
本研究基于两性离子磷酸胆碱功能化聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT-PC），构建了一种本征抗污染的OECT生物传感器。该材料通过内盐结构实现超亲水性和电中性平衡，经过栅极和沟道同步修饰后，显著抑制了界面的非特异性蛋白吸附作用，保证了器件在复杂生物环境中的运行稳定性（如图2（a）和（b）所示）。与传统BSA封闭法导致的性能劣化不同，PEDOT-PC凭借混合电子-离子导电机制，在提升跨导的同时有效降低了工作电压（如图2（c）所示）。并且，该器件通过钙离子介导实现了对C反应蛋白（CRP）的超灵敏检测（最低检测限0.11 pg/mL），创造了蛋白质检测的最快速度（≤60秒），并且在高浓度干扰物蛋白的存在下，仍能保持对CRP精准的实时监测能力（如图2（d）所示）。这种本征防污的OECT生物传感器为在复杂生物环境中快速准确地检测蛋白质生物标志物提供了一个有价值的平台，为POCT诊断提供了可靠且高效的解决方案。
图2、两性离子OECT的抗污性能与生物传感应用。（a）荧光标记实验显示两性离子界面显著抑制非特异性蛋白吸附；（b）两性离子器件在复杂生物环境中展现出运行稳定性；（c）两性离子PEDOT修饰OECT显著提升器件性能；（d）两性离子OECT在高浓度干扰物蛋白存在下，对C反应蛋白的实时、快速、特异性检测。
本研究是该团队近期在两性离子防污应用方面的最新进展之一，得到了国家自然科学基金（22175111、21474014和21704013）的资助。该团队致力于仿生抗污材料的设计与应用，重点研究其在医疗设备、生物电子器件和柔性可穿戴设备中的应用。研究方向集中于材料设计及其功能赋能，目标是实现医用器械、医疗设备、生物电子器件和柔性可穿戴设备在复杂应用场景中的无缝衔接与临床应用。近年来，团队开发了具有卓越抗生物污损性能（Nature Communications, 2014, 5, 4523）及电响应耦合特性的仿生导电高分子材料（Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1703890），有效抑制了生物电极在长期植入过程中出现的生物污损和免疫炎症反应；通过研究仿生抗污高分子材料结构与生物抗污、电化学稳定性之间的协同关系（Journal of Materials Chemistry B, 2021, 9, 2717–2726），以及开发植入电极防污绝缘封装技术（Applied Surface Science, 2023, 621, 156902，RSC Applied Interfaces, 2025, 2, 496-507），保证了材料和器件在长期植入中的机械和防污功能稳定性；此外，还开发了具有高抗生物污损性能的仿生有机电化学晶体管阵列（Chemical Engineering Journal, 2024, 483, 148980），以及在血液接触生物医学设备涂层方面取得的重要进展（Advanced Science, 2025, 2502411）。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acssensors.4c03072
审核编辑 黄宇
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