基于胶束自组装的热凝胶门控场效应晶体管生物传感器，用于葡萄糖检测

《Journal of Colloid and Interface Science》：Thermogel-gated field-effect transistor biosensors based on micellar self-assembly for glucose sensing

实时精准的葡萄糖检测对健康管理至关重要。传统酶促传感器存在稳定性差和制备复杂的问题，而非酶传感器则选择性不足。本研究开发了一种集成热响应水凝胶的场效应晶体管（FET）生物传感器，通过F127-PBA共聚物的原位自组装形成可逆的溶胶-凝胶过渡层，在生理温度下实现稳定、高灵敏度的葡萄糖检测，浓度为100nM至1M时仍保持优异性能，同时具有生物相容性和可穿戴潜力。

　　

华伟|张丽娅|王珂|郭同坤|刘月|刘亚青|郝静成

教育部胶体与界面化学重点实验室，山东大学，济南250100，中国

摘要

假设

实时且准确的葡萄糖检测对医疗管理至关重要。传统的酶传感器通常受到不稳定性和复杂制造工艺的限制，而非酶类替代品往往缺乏足够的选择性。

实验

我们开发了一种新型场效应晶体管生物传感器（bio-FET），并将其与热响应水凝胶集成在一起，实现无需酶的葡萄糖检测。该水凝胶是通过苯硼酸端基的Pluronic F127共聚物（F127-PBA）的原位胶束自组装形成的，在接近生理温度时表现出可逆的溶胶-凝胶转变。作为In₂O₃通道上的共形介电层，F127-PBA水凝胶薄膜能够在宽浓度范围内（100?nM至1?M）实现高灵敏度和选择性的葡萄糖检测。其检测机制依赖于葡萄糖结合时PBA基团的电荷状态变化，将生化信号转化为具有高稳定性和重复性的电信号。

发现

这项工作可能为构建高性能FET生物传感器以进行实时葡萄糖检测提供一种通用且可扩展的策略。

引言

持续且准确地监测人体葡萄糖水平在医疗保健中非常重要[1]，特别是对于管理糖尿病和其他代谢性疾病，这些疾病影响着全球数百万人[2]。虽然传统的葡萄糖传感器被广泛使用，但它们通常依赖于酶促反应[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。例如，由葡萄糖氧化酶催化的侵入性或非侵入性生物传感器虽然具有高特异性，但存在酶变性、操作条件严格以及制造过程复杂等问题[8]。为了克服这些问题，人们开发了基于贵金属或金属氧化物的非酶方法，但这些方法往往选择性较差，并且容易受到其他电活性物质的干扰[9]、[10]、[11]。目前，基于场效应晶体管（FET）的生物传感器（bio-FET）已成为无标记、实时、高灵敏度检测各种生物标志物的有前景的平台[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。Bio-FET能够将目标-受体相互作用引起的表面电荷或电容变化转化为可测量的电信号，具有内在的信号放大能力和低功耗[17]、[18]、[19]。其中，苯硼酸（PBA）功能化的bio-FET因其能够通过二醇-硼酸酯的形成可逆地结合葡萄糖而受到关注，从而实现葡萄糖水平的实时和定量检测[20]、[21]。然而，传统的bio-FET在复杂的生物环境中通常面临稳定性有限、生物相容性差、需要复杂的表面修饰以及电极表面非特异性吸附干扰物质等问题[22]、[23]。

水凝胶材料已被集成到bio-FET中，以通过提供水合界面来提高其性能，这种界面增强了生物相容性，模拟了自然环境，并促进了分析物的扩散[24]。例如，基于肽的水凝胶已被用于在In₂O₃ FET通道上形成葡萄糖响应层，实现了在小鼠血清中的实时检测和高灵敏度[25]。类似地，还在Au电极上制备了共聚的PBA-水凝胶栅极，以减少非特异性蛋白质吸附并提高传感器稳定性。此外，一种包含PEDOT: PSS和PBA功能化聚丙烯酰胺的混合导电水凝胶电极实现了无需酶的葡萄糖检测，具有良好的选择性和稳定性[26]。尽管取得了这些进展，许多水凝胶系统仍表现出机械稳定性有限，并且缺乏与换能器不规则表面原位形成共形界面的能力。此外，将水凝胶集成到FET设备中通常涉及多步骤制造过程，这阻碍了可扩展性和重复性。热响应水凝胶能够在温度变化时发生溶胶-凝胶转变，为原位形成稳定且共形的介电层提供了独特的机会[27]。然而，它们在葡萄糖检测bio-FET制造中的应用尚未得到充分探索。

在这项工作中，我们提出了一种基于苯硼酸（PBA）端基的Pluronic F127三嵌段共聚物（F127-PBA）制备的热凝胶基葡萄糖检测bio-FET平台（图1）。合成的F127-PBA共聚物在生理温度下会发生可逆的溶胶-凝胶转变，这是由于从胶束化到紧密堆积的胶束的自组装过程，从而能够在In₂O₃通道上原位形成稳定且生物相容的介电水凝胶层。这种热凝胶利用胶束的自组装形成了非共价交联网络，促进了葡萄糖在凝胶内的扩散和与PBA基团的特异性结合，导致电荷状态的变化以及FET传感器传输特性的可测量变化。所得到的bio-FET设备在宽葡萄糖浓度范围内表现出高灵敏度，并且漂移和干扰最小。此外，热凝胶表现出优异的生物相容性，这一点通过细胞活力测试得到了证实。这项工作突显了热响应水凝胶作为构建高性能可穿戴bio-FET以进行葡萄糖监测的通用且高效材料的潜力。

部分摘录

化学物质和材料

三硝酸铟（In(NO₃)₃·xH₂O（纯度99.999%）购自Sigma-Aldrich Industrial Corporation（中国上海）。2-甲氧基乙醇、2,4-戊二酮和氢氧化铵购自Alfa Aesar（中国上海）。Pluronic? F127（平均Mn约为14,600，EO:PO = 8:2）、4-羧基苯硼酸（PBA）、1,1′-羰基二咪唑（CDI）、乙二胺、1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）购自Aladdin（中国上海）。

F127-PBA的合成与表征

设计和合成PBA端基的Pluronic F127三嵌段共聚物

市售的Pluronic F127（PF127）常用于热凝胶的制备[em]。Pluronic F127是一种非离子型两亲性表面活性剂，其中心块为疏水性聚丙烯氧化物（PPO），两侧是亲水性聚环氧乙烷（PEO）块。由于其优异的生物相容性，它已被美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于生物医学领域[em]。这种两亲性特性使PF127能够在水中形成球形胶束

结论

在这项研究中，我们开发了一种基于原位自组装的F127-PBA热凝胶的葡萄糖敏感bio-FET，该热凝胶用作栅极介电层。通过末端基团共轭合成了F127-PBA共聚物，得到了一种在水生条件下表现出可逆热响应行为的水凝胶材料，其凝胶化温度可根据浓度进行调节。这种热凝胶能够在In₂O₃通道上实现共形覆盖，并对葡萄糖快速响应

CRediT作者贡献声明

华伟：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。张丽娅：撰写——初稿、数据分析。王珂：撰写——初稿、数据分析。郭同坤：撰写——初稿、数据分析。刘月：撰写——初稿、数据分析。刘亚青：撰写——审稿与编辑、监督。郝静成：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号22572105）对这项工作的支持。作者还感谢山东大学结构成分与物理性质分析中心的技术支持。