《IEEE Sensors Journal》：Non-invasive and ultrasensitive glucose detection via electrolyte-gated IGZO thin-film transistors
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本研究旨在解决糖尿病管理中传统血糖监测方式的有创性难题。研究人员开发了一种基于电解质门控铟镓锌氧化物薄膜晶体管(IGZO-EGTFT)，并负载葡萄糖氧化酶(GOx)的超灵敏传感器。结果显示，该传感器对仅1 μL的泪液样本实现了低至1 zM的检测极限，线性范围跨越1 zM至1 mM，且在30天内保持稳定性能，展现出作为可靠、无创、即时血糖监测平台的巨大潜力。
对于全球数亿糖尿病患者而言，指尖采血的日常血糖监测如同一个小小的“噩梦”——刺痛、不便、感染风险，都让这项必需的管理变得充满负担。更麻烦的是，血液中的葡萄糖水平波动剧烈，频繁采血既不现实也不舒适。于是，科学家们将目光投向了另一种体液——眼泪。泪液被认为能迅速反映全身的葡萄糖水平，且获取方式温和无创，听起来像是完美的解决方案。然而，这条路布满荆棘：泪液中的葡萄糖浓度极低，比血液低了几个数量级，好比要在浩瀚海洋中寻找一滴特定的水珠；同时，泪液成分复杂，含有多种蛋白质和盐分，这些“噪音”很容易干扰检测信号。因此，开发一种能在复杂基质中精准捕捉极微量葡萄糖的超灵敏、高选择性传感器，成为无创血糖监测领域亟待攻克的核心难题。
近日，一项发表于《IEEE Sensors Journal》的研究为这一难题提供了突破性的答案。研究者们巧妙地利用了一种名为电解质门控铟镓锌氧化物薄膜晶体管(Indium Gallium Zinc Oxide Electrolyte-Gated Thin-Film Transistor， IGZO-EGTFT)的半导体器件，并为其“武装”上能够特异性识别葡萄糖的酶——葡萄糖氧化酶(Glucose Oxidase， GOx)，构建出了一个性能卓越的传感平台。这项研究告诉我们，通过精妙的材料科学与生物技术结合，我们或许很快就能告别采血针，仅凭一滴眼泪实现精准、舒适的血糖管理。
为构建这一传感器，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，采用表面功能化技术，将葡萄糖氧化酶(GOx)稳固地修饰到IGZO-EGTFT的沟道表面，这是实现特异性传感的基础。其次，利用原子力显微镜(Atomic Force Microscopy， AFM)和接触角分析(Contact Angle Analysis)对每一步表面修饰的效果进行可视化与定量验证，确保了修饰过程的可靠与均匀。最后，整个传感器的性能评估，包括灵敏度、检测限、线性范围、选择性和长期稳定性测试，均在模拟泪液或含有干扰物的溶液中进行，以验证其在实际复杂环境中的适用性。
研究结果：
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传感器构建与表征：通过逐步的表面修饰，成功将GOx固定在IGZO-EGTFT表面。AFM图像清晰显示了修饰前后表面形貌的变化，接触角测量则证实了表面亲水性的增加，这两项技术共同验证了功能化层的成功构建。
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超灵敏检测性能：所构建的GOx-IGZO-EGTFT传感器对葡萄糖表现出极高的灵敏度。其检测极限(Limit of Detection， LOD)低至1 zeptomolar (1 zM， 即10-21M)，这意味着即使样品中葡萄糖分子稀少到极难想象的程度，传感器也能产生可区分的信号。传感器的响应在1 zM至1 millimolar (1 mM)的宽达9个数量级的浓度范围内呈现良好的线性关系(线性相关系数R2 = 0.993)，这覆盖了健康人与糖尿病患者泪液葡萄糖浓度的可能区间。
- 3.
优异的选择性与稳定性：传感器在面对泪液中常见的潜在干扰物，如抗坏血酸(维生素C)、尿酸和乳酸时，几乎不产生响应，表明其具有高度的特异性，能够准确区分葡萄糖与其他物质。此外，传感器在长达30天的测试期内，其关键性能参数保持稳定，证明了其具有良好的长期工作可靠性，这对于实际应用至关重要。
结论与讨论：
本研究成功开发并验证了一种基于GOx功能化IGZO-EGTFT的超灵敏、高选择性葡萄糖生物传感器。该传感器利用电解质门控晶体管固有的信号放大能力，结合酶催化的特异性，实现了对泪液中极低浓度葡萄糖的精准检测。其达到的1 zM检测限、宽广的线性范围、出色的抗干扰能力和长期稳定性，多项指标均处于领先水平。
这项工作的意义重大。首先，它在技术上证实了利用高性能氧化物半导体薄膜晶体管进行超微量生物标志物检测的可行性，为下一代生物传感器设计提供了新范式。其次，它直接针对无创血糖监测的核心痛点——灵敏度与特异性，提出了一个极具潜力的解决方案。将检测样本从血液转向泪液，不仅能极大提升患者的舒适度与依从性，也为实现真正意义上的连续、实时葡萄糖监测铺平了道路，有望推动糖尿病管理从“间歇性抽检”迈向“持续性监控”的新阶段。尽管迈向商业化应用仍需克服如泪液样本的标准化收集、传感器与便携设备的集成等挑战，但本研究无疑为开发下一代无创、居家式健康监测设备点亮了一盏关键的引路明灯。
