综述：用于监测细胞生理活动的场效应晶体管生物传感器：综述

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Field-Effect Transistor Biosensors for Monitoring Cellular Physiological Activities: A Comprehensive Review

　　

凌晓|于珊珊|戴婉楠|周洁|李宇涛|张国军

湖北中医药大学实验医学学院，武汉430065，中国

摘要

实时监测细胞生理活动对于全面理解细胞生物学至关重要。然而，传统的检测方法通常受到通量低、灵敏度不足以及无法实现动态监测的限制。相比之下，场效应晶体管（FET）生物传感器已成为一种用于实时、原位和高灵敏度检测细胞生理活动的有前景的平台。尽管许多综述已经涵盖了FET生物传感器在生物医学检测中的应用，但很少有研究专门关注其在直接细胞分析中的用途。本文旨在通过提供有关FET生物传感器在监测细胞生理活动（包括电生理学、分泌活动和行为）方面的最新进展的全面概述来填补这一空白。

引言

细胞生理活动是细胞功能和生命过程的基本表现¹。准确检测和实时监测这一系列活动（包括电生理信号、分泌和形态行为）对于解释细胞生物学的潜在机制、探索细胞水平的病理过程以及开发早期诊断策略和针对性治疗干预措施至关重要(2), (3), (4)。传统的细胞检测技术存在几个共同的限制。在电生理学方面，尽管膜片钳技术可以提供高精度的单个离子通道记录，但其操作复杂、通量低且具有侵入性，无法进行长期监测(5), (6)。虽然微电极阵列（MEA）能够实现多细胞记录，但它们仅限于细胞外场电位，空间分辨率和信噪比较低⁷。在分泌检测方面，离子选择性电极存在响应慢和微型化挑战⁸，而通过HPLC⁹和MS¹⁰进行小分子代谢物分析以及通过ELISA和Western blot¹¹进行蛋白质定量需要较大的样本量、昂贵的仪器和繁琐的工作流程。更重要的是，这些方法都不支持细胞分泌事件的实时动态监测。

在新兴的细胞检测平台中，基于场效应晶体管（FET）的生物传感器因其固有的信号放大能力和将生物事件直接转换为电信号的能力而成为一种有前景的方法。FET的概念可以追溯到Lilienfeld在1930年的专利设计，但直到1970年Bergveld首次将离子敏感型FET（ISFET）应用于生物医学检测时，FET生物传感器才真正开始发展¹²。随后，随着微纳加工技术的快速发展，出现了新的FET结构，如硅纳米线FET（SiNW-FET）¹³、碳纳米管FET（CNT-FET）¹⁴、石墨烯FET（G-FET）¹⁵和有机FET（OFET）¹⁶，极大地扩展了FET传感器在生物医学领域的应用前景。

FET的核心工作原理基于场效应调节机制(17), (18), (19)。在典型的FET结构中，半导体通道连接源极和漏极，栅极通过电场调节通道中的载流子浓度(20), (21)。通过将生物传感界面与半导体通道直接耦合，FET提供了一种与传统检测方法不同的信号转换机制²²。在有效的栅极耦合下，由生物过程引起的微弱电干扰被调节为通道载流子密度的变化，并转换为可测量的电导信号^{2325。由于这些特性，FET生物传感器已在环境监测、食品安全检测、临床诊断和生物医学研究中得到广泛探索26。}

在这些应用中，监测细胞生理活动已成为FET生物传感器最有前景的应用方向之一。对于电生理检测，FET传感元件可以微型化到纳米级别，使其能够与细胞膜紧密接触²⁷。设备可以设计成各种形式，从平面阵列到3D纳米线或纳米管结构，以适应细胞膜的曲率甚至穿透到细胞内部区域(28), (29), (30), (31)。这使它们比传统电极具有更高的记录精度和空间分辨率。对于分泌检测，栅极表面可以修改为离子选择性膜³²、酶³³、适配体³⁴或抗体³⁵，从而使FET传感器能够检测从小离子和代谢物到大生物分子的各种分泌物质。它们可以实时在细胞附近监测这些分析物，且只需极少量样本 volume。对于细胞行为监测，FET器件足够灵敏，可以检测到细胞-基底界面处的微弱电荷变化³⁶。这使得无需荧光标记或机械干扰即可连续观察细胞的粘附、扩散和迁移。

尽管有许多关于FET生物传感器的文章(22), (26), (37), (38), (39), (40), (41), (42)，但仍然缺乏专注于FET传感器在细胞活动检测中应用的综述。本文旨在通过总结FET生物传感器在细胞生理活动检测（包括电生理学、分泌和行为）领域的最新研究进展来填补这一空白（图1）。在引言部分之后，讨论了FET生物传感器的基本原理，包括器件结构、工作原理和生物界面工程。在电生理检测方面，重点讨论了FET生物传感器在细胞内动作电位记录、膜电位监测和离子通道活性检测中的应用。在分泌检测方面，系统性地回顾了FET生物传感器在离子、小分子物质和大分子物质检测中的应用。最后，讨论了主要挑战、潜在解决方案和未来发展方向，为该领域的研究人员提供了有价值的参考和启示。

部分摘录

FET生物传感器的基本工作原理

FET生物传感器是一类基于半导体场效应原理的新型生化传感设备，其核心工作原理建立在金属氧化物半导体（MOS）FET的电荷调制特性之上⁴³。MOSFET由四个基本组件组成：源极、漏极、栅极以及源极和漏极之间的半导体通道。栅极与半导体之间通过一层薄的绝缘氧化物层分离，形成MOS电容器结构⁴⁴。在典型的

系统文献综述方法（基于PRISMA）

本系统综述严格按照《系统综述和荟萃分析优选报告项目（PRISMA）2020》指南进行和报告，以确保文献识别的透明度、可重复性和完整性、筛选、资格评估和纳入标准。综述方案在正式文献搜索和筛选之前已经预先定义和确定。

细胞电生理检测

细胞的电生理信号，从静息膜电位到动作电位和离子通道电流，提供了关于细胞兴奋性、突触传递和心脏节律调节的基本信息。细胞电生理的异常与多种病理状况密切相关，包括癫痫、心律失常、通道病变和神经退行性疾病(99), (100)。

结论与展望

CRediT作者贡献声明

张国军：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。李宇涛：撰写——审稿与编辑、资源获取、调查、概念化。周洁：撰写——初稿撰写、监督、资金获取、概念化。戴婉楠：撰写——初稿撰写、调查。于珊珊：撰写——初稿撰写、调查。凌晓：撰写——初稿撰写、调查、正式分析、概念化

(50), (71), (76), (142), (169), (183), (213)。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

本文描述的研究未使用任何数据。

在准备本工作时，作者使用ChatGPT来编辑语言以提高可读性。由ChatGPT辅助改进的内容约占全文的10%。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全部责任。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22574044）、湖北省联合基金（CN）（2024AFD247）以及湖北省中医药管理局的重点项目（CN）（ZY2025D011）的财政支持