基于垂直有机电化学晶体管实现乙型肝炎表面抗原的超灵敏、稳健、选择性检测

《Biosensors and Bioelectronics》：Ultrasensitive, Robust, and Selective Detection of Hepatitis B Surface Antigen Enabled by Vertical Organic Electrochemical Transistor

　　

乙型肝炎病毒（HBV）的早期检测对于有效诊断和疾病管理至关重要。乙型肝炎表面抗原（HBsAg）是广泛用于HBV筛查的关键生物标志物。在本研究中，研究人员报告了一种基于垂直有机电化学晶体管（vOECT）的生物传感器，用于HBsAg的无标记检测。该器件采用经碳二亚胺偶联功能化、具有单克隆HBV抗体的金栅电极，为选择性捕获HBsAg提供了共价结合位点。通过循环伏安法和电化学阻抗谱证实了表面修饰和固定化过程。该生物传感器在HBsAg结合后显示出从100 pg/mL到5000 ng/mL的宽线性检测范围，检测限低至42.7 fg/mL。重现性测试显示，对于5.0 ng/mL和5 μg/mL的HBsAg，相对标准偏差（RSD）值分别为2.40%和3.03%，表明在独立制备的器件间具有高度一致性。该生物传感器对常见的生物干扰物也表现出很强的选择性，包括胆红素、重组人血清白蛋白、癌胚抗原、肌酐、葡萄糖和血红蛋白。此外，稳定性研究表明，两周后仍保留了超过98%的原始响应。这些结果突显了vOECT平台作为一种用于乙型肝炎即时诊断的灵敏、可靠且紧凑的生物传感策略的潜力。

一、 研究背景、问题与动机

乙型肝炎病毒（HBV）感染是全球性的重大健康挑战，每年导致超过88万人死亡。其核心生物标志物乙型肝炎表面抗原（HBsAg）是早期检测和慢性感染监测的关键靶标，健康人血清中正常浓度通常低于0.18 ng/mL，而浓度超过0.5-1 ng/mL则提示感染风险增加。目前，核酸检测（如逆转录聚合酶链反应，RT-PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和表面等离子体共振等技术虽具有高特异性和灵敏度，但通常依赖昂贵仪器、专业操作人员和冗长流程，不适用于即时检测。因此，开发快速、简便、低成本且灵敏的诊断工具，以满足早期HBV检测和有效疾病管理的迫切需求，具有重要意义。

有机电化学晶体管（OECT）作为一种新兴的生物电子传感器，凭借其固有的信号放大能力、高跨导、低工作电压、生物相容性及在水溶液中的稳定性，在生物传感领域展现出巨大潜力，已成功用于检测多种代谢物、病毒、DNA和金属离子。其中，垂直结构OECT（vOECT）相比平面设计，能提供更高的跨导和更小的器件尺寸，更适合先进的生物传感应用。然而，尽管OECT生物传感器在病原体检测方面进展迅速，但截至本研究前，尚未有基于OECT的HBV传感器被报道。本研究旨在填补这一关键知识空白，开发一种新型高性能生物传感器，用于快速、实时的HBV检测。

二、 主要关键技术方法

研究人员开发了一种基于vOECT的生物传感器用于HBsAg检测。该传感平台的核心是利用n型混合离子-电子聚合物聚苯并咪唑并苯并菲咯啉（BBL）作为有源层制备vOECT器件。传感界面的构建是关键步骤：研究人员在器件的金栅电极上，通过碳二亚胺偶联化学方法，共价固定了HBV特异性的单克隆抗体，从而实现了对HBsAg抗原的选择性识别与捕获。该功能化过程通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）进行表征和验证。电学性能测试在磷酸盐缓冲盐水（PBS）电解质中进行，以评估器件的传感响应。

三、 研究结果

1. Characterization of the modified gate electrode and vOECT

通过电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）对栅电极的逐步修饰过程（裸金电极、抗体固定后、牛血清白蛋白封闭后）进行了表征。EIS的奈奎斯特图显示，抗体固定后电荷转移电阻（R_ct）显著增加，表明抗体成功固定并阻碍了电子转移；牛血清白蛋白封闭后R_ct进一步增大。CV曲线也显示出相应的氧化还原峰电流减小。这些结果共同证实了抗体在栅电极表面的成功固定化，为后续特异性生物传感奠定了基础。

2. Biosensing performance of vOECT towards HBsAg

研究人员系统评估了vOECT生物传感器对HBsAg的检测性能。在含有不同浓度HBsAg的溶液中，器件的漏源电流（I_DS）随着抗原浓度的增加而单调递减，这归因于HBsAg与栅电极上固定化抗体的特异性结合，改变了电极/电解质界面的双电层电容。传感器在100 pg/mL至5000 ng/mL的浓度范围内表现出良好的线性响应，计算得出的检测限（LOD）低至42.7 fg/mL。该灵敏度足以覆盖并远低于临床相关的HBsAg浓度阈值，表明其具备高灵敏度。

3. Reproducibility, selectivity, and stability of the vOECT biosensor

为评估传感器的实用性，研究人员进行了重现性、选择性和稳定性测试。重现性方面，对5.0 ng/mL和5 μg/mL两个浓度的HBsAg进行多次独立测量，计算得到的相对标准偏差（RSD）值分别低至2.40%和3.03%，表明器件制备和检测过程具有良好的重现性。选择性测试中，传感器在含有高浓度常见生物干扰物（如胆红素、重组人血清白蛋白、癌胚抗原、肌酐、葡萄糖、血红蛋白）的溶液中，对HBsAg的响应信号基本不受影响，而干扰物自身引起的信号变化可忽略不计，证明了其对HBsAg的高特异性。稳定性研究显示，将功能化的传感器在4°C下储存两周后，其对HBsAg的响应仍能保持初始响应的98%以上，展现出优异的长期稳定性。

四、 结论总结与讨论

本研究表明，所开发的基于垂直有机电化学晶体管的生物传感器成功实现了对乙型肝炎表面抗原的超灵敏、高特异性检测。该传感器利用抗体功能化的金栅电极实现目标捕获，并通过晶体管优异的信号放大能力将生物识别事件转化为可测量的电信号变化。其拥有的宽线性范围、极低的检测限、良好的重现性、出色的选择性和长期稳定性，共同证明了该vOECT平台作为一种有前途的即时诊断工具的潜力。它不仅为HBV的快速、低成本检测提供了一种有效的解决方案，也为检测其他病原体病毒建立了一种通用化的生物传感策略。

研究结论翻译：

本文开发了一种基于vOECT的生物传感器，用于HBsAg的选择性和灵敏检测。通过EIS和CV证实了金栅电极的表面功能化和抗体固定化。HBsAg的结合导致I_DS明显下降，从而实现信号转导。该生物传感器显示出宽的线性检测范围（100 pg/mL–5000 ng/mL）和42.7 fg/mL的检测限（60分钟）。良好的重现性（5.0 ng/mL和5 μg/mL HBsAg的RSD值分别为2.40%和3.03%）、对常见生物干扰物的强选择性以及超过两周的稳定性，使其成为即时HBV诊断中一种有前景的传感平台。