Advanced Healthcare Materials: 有机光电化学晶体管生物传感器及其在高灵敏DNA传感中的应用

近年来,有机薄膜晶体管(OTFT)已被广泛应用于生物传感领域,尤其是有机电化学晶体管(OECT),具有成本低、容易制备、工作电压低(<1V)、生物兼容性好、易微型化、可制成柔性器件等诸多优点。由于OECT结合了传统电化学检测的优点,并且同时具有传感和信号放大的功能,在生物分子检测中具有非常高的灵敏度和低的检测极限。另一方面,光电化学(PEC)生物传感技术在分析化学领域正受到越来越广泛的关注。PEC生物传感是在传统电化学检测技术基础上发展出来的一种生物传感技术,由于结合了光激发信号与电检测信号两个技术,PEC传感在生物检测过程中的背景信号低,检测灵敏度高。

深圳大学林鹏课题组、南京大学赵伟伟课题组和香港理工大学严锋课题组共同合作,提出将OECT和PEC两种生物传感技术结合,成功开发了一种基于有机光电化学晶体管(OPECT)的新型、高灵敏的生物传感技术,并实现了对1 fM的DNA的高灵敏检测。其工作原理是,在OPECT器件中,将修饰有硫化镉量子点(CdS QDs )光电活性半导体材料的ITO电极作为晶体管的栅电极,在合适的光激发下,栅电极上的光电活性半导体材料发生电子跃迁并伴随电荷转移,产生的光电压导致栅电极/电解质界面电势发生变化,从而引起晶体管器件的有效栅电压发生变化,最终通过器件沟道电流的变化反映出来。由于OPECT兼具传感和信号放大的作用,其沟道电流比PEC体系中的光电流大1-2个数量级,因此在生物分子检测过程中将具有更高的灵敏度、更低的检测极限。

OPECT的高灵敏特性在DNA传感中得到了验证,利用金纳米颗粒(Au NPs)修饰DNA单链,设计了基于Au NPs与CdS QDs之间的激子-等离子体激元相互作用(EPI)的DNA传感器,其最低检测极限可达1 fM。在相同传感体系下,比PEC的检测极限低1-2个数量级。1 fM的检测极限也是目前电化学类别的DNA传感器中性能最好的之一。此外,通过改变DNA链长研究了纳米粒子之间的距离对EPI效应的影响,对EPI效应的应用和DNA传感器的设计有一定的指导意义。

OPECT作为一种新型的传感器件,它的出现丰富了生物检测的手段。由于OPECT结合了OECT和PEC各自的优点并具有更高的灵敏度,未来OPECT在各类高性能生物传感器的设计上将有很大的应用潜力。相关结果发表在Advanced Healthcare Materials(DOI: 10.1002/adhm.201800536)上。