利用适配体功能化石英非晶铟镓锌氧化物(IGZO)薄膜晶体管无标记检测神经递质

《Advanced Materials Interfaces》：Label-Free Detection of a Neurotransmitter Using an Aptamer-Functionalized Amorphous IGZO Transistor

　　

研究人员报道了一种利用血清素(5-羟色胺，serotonin)特异性DNA适配体(aptamer)功能化的铟–镓–锌氧化物(Indium–Gallium–Zinc Oxide, IGZO)薄膜场效应晶体管(Thin-Film Field-Effect Transistor, TFT-FET)生物传感器，用于水溶液环境中的无标记(label-free)血清素检测。该器件在液栅(liquid-gated)条件下工作，作为离子敏感场效应晶体管(Ion-Sensitive Field-Effect Transistor, ISFET)可在宽广的生理pH范围(pH 4?10)内进行pH监测。文中讨论了适配体基FET传感中持续存在的挑战——如信号漂移、结构相似分子干扰以及将生物分子层可靠集成于金属氧化物半导体表面等问题，并结合IGZO传感平台进行了阐述。所制备器件表现出可重现的电学响应，对血清素的检测浓度范围为10 fM至10 μM，并在缓冲液环境中可稳定短期工作。本研究证明了将IGZO薄膜晶体管与适配体分子识别元件相结合、用于小分子神经递质实用化检测的一种简便方法。

论文解读：利用适配体功能化非晶IGZO晶体管无标记检测神经递质

本文由Nguyen等人发表于《Advanced Materials Interfaces》。血清素(5-羟色ryptamine, 5-HT)是单胺类神经递质，其浓度异常与抑郁症及5-羟色胺综合征密切相关，因此实时监测生物液中血清素浓度具有重要临床意义。传统液相色谱–质谱(LC-MS)和酶联免疫吸附测定(ELISA)虽准确但需复杂前处理且依赖实验室设备。场效应晶体管(FET)生物传感器可提供无标记、快速电学读出及器件微型化优势，适配体(aptamer)作为合成寡核苷酸具备抗体级特异性和固定便利性，适合FET表面修饰。非晶铟镓锌氧化物(amorphous Indium–Gallium–Zinc Oxide, a-IGZO)因低漏电流、宽带隙、高于非晶硅的电子迁移率及低温大面积均匀沉积兼容性，是理想的FET沟道材料，但此前IGZO FET多用于蛋白或DNA检测，对小分子量神经递质(如血清素，~176 Da)的检测研究较少——其弱电荷信号易受德拜屏蔽(Debye screening)影响。本研究旨在构建适配体功能化IGZO电解-液栅FET(EG-FET)，填补IGZO基传感器用于小分子神经递质检测空白，实现飞摩尔(f_M)级血清素无标记检测。

主要关键技术方法

研究人员在Si/SiO₂基底上采用RF溅射制备20 nm非晶IGZO沟道层，光刻/湿法刻蚀定义图形，磁控溅射Ti/Ni作源漏电极，旋涂聚酰亚胺(polyimide)作钝化层并开窗口暴露IGZO传感区。表面经UV-臭氧活化后，用APTES(3-氨丙基三乙氧基硅烷)与ETES(乙基三乙氧基硅烷)1:1(v/v)混合气相硅烷化形成自组装单层(SAM)，再经MBS(N-琥珀酰亚亚胺基-4-马来酰亚丁酸酯)交联引入马来酰亚末端，共价偶联5'-巯基化血清素适配体形成取向固定的适配体单分子层。电学测试于0.1× PBS(pH 7.4)中以Ag/AgCl为液栅电极，固定V_G=0.4 V扫V_DS(0→1.0 V)记录I_DS，以归一化电流I/I₀量化响应；通过接触角(WCA)、原子力显微镜(AFM)及X射线光电子能谱(XPS)表征各修饰步骤；以乱序DNA为阴性对照，以多巴胺、皮质醇、葡萄糖等为干扰物评估特异性，裸IGZO通道测pH敏感性(pH 4–10)，并做短期稳定性测试。

2.1 Device Fabrication and Surface Functionalization

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  2.1.1 Device Structure：通过XPS确认IGZO膜中In³⁺、Ga³⁺、Zn²⁺及晶格氧(M─O)、氧空位(M–O_vac)和表面羟基(M─OH)的存在；O 1s分峰显示可控氧空位贡献n型载流子，表面羟基提供硅烷化位点。输出特性曲线(I_DS–V_DS)显示VG增大时间隔增加，确认n型累积模式正常运作，接触电阻低且栅耦合良好。
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  2.1.2 Surface Functionalization：UV-臭氧使WCA由~46.2°降至~29.5°，证明表面─OH增多；APTES/ETES混合硅烷化后WCA升至~59.5°，表明形成疏水氨基端单层；MBS交联及适配体固定后WCA降至~39.5°，符合亲水性DNA磷酸骨架覆盖。AFM显示Rq由裸IGZO的1.297 nm略增至硅烷化后1.357 nm，适配体固定后达1.385 nm且现颗粒纳米织构，说明形成保形超薄功能层。XPS中N 1s出现─NH₂/─NH₃⁺双峰，适配体固定后P 2p出现磷酸骨架特征峰(133.59 eV / 134.48 eV)，C 1s中C─N/C═O组分增强，确证逐步共价接枝成功。

2.2 Femtomolar-Level Neurotransmitter Detection

在V_G=0.4 V液栅模式下，随血清素浓度升高(10 f_M–10 μ_M)，I_DS–V_DS曲线系统性上移，归一化电流I/I₀单调增长，10 μ_M时平均增幅约15%，10 f_M可分辨于基线噪声之上，拟合得灵敏度≈1.36%/十倍浓度。乱序DNA对照器件无显著电流变化，表明信号源于适配体特异性结合而非非特异性DNA吸附。传感机理为：血清素结合诱导适配体构象重排及负电荷重新分布，调制IGZO/电解液界面局域表面电势，通过场效应改变沟道载流子密度从而调制电导。

2.3 Detection Specificity with Interferents

10 μ_M浓度下，血清素引起明显I/I₀升高，而同等浓度多巴胺(dopamine)、葡萄糖(glucose)、雌二醇(estradiol)、孕酮(progesterone)、皮质醇(cortisol)引起的电流变化均<2%(在基线波动内)，证明该IGZO适配体FET在测试条件下对血清素有分子特异性，非特异性吸附不主导电信号。

2.4 pH Response and Stability

裸IGZO通道在pH 4–10范围随pH升高I_DS下降(pH降低则上升)，符合金属氧化物表面质子化/去质子化位点结合模型——酸性促表面正电荷积累增强n型IGZO电子累积致电导升高，碱性反之。中性附近(pH 6?8、pH 7?7.5?8)可逆循环测试表现可重复响应。在0.1× PBS中间隔40 min重复测量，基线电流漂移<8%，满足本研究短时血清素检测的稳定性需求。

讨论与结论翻译

研究人员开发了一种用血清素特异性适配体功能化的IGZO FET生物传感器，用于水溶液介质中血清素的无标记检测。该器件在10 f_M–10 μ_M血清素浓度范围内表现出约15%的归一化电流响应，而对非靶标分析物(如多巴胺、葡萄糖和皮质醇)的响应保持在2%以内，表明在所测条件下干扰有限。未修饰的IGZO器件在pH 4?10范围内显示出预期的pH依赖性响应，而适配体修饰传感器在重复测量中表现出稳定性能。综上，这些结果表明，结合共价接枝适配体层的IGZO薄膜晶体管为液栅工作模式下的无标记血清素检测提供了一种可行的平台。进一步优化信号幅度、长期稳定性及器件间均一性，可推动该方法向更广泛应用领域的生物传感发展。