清华大学在生物信号分子一氧化氮体检测方面的应用上取得进展_风闻

近日，清华大学材料学院尹斓副教授课题组与电子工程系张沕琳副教授课题组等合作，设计制备了基于有机电化学晶体管的可无线控制、传输的具有高灵敏度的柔性一氧化氮传感器，在细胞、组织、生物活体等多个层面实现了对一氧化氮的无线、实时、连续监测。该研究成果为慢性疾病的早期诊断和及时的医疗干预提供了有效的工具手段。

图1. 基于有机电化学晶体管的无线柔性一氧化氮传感器的工作示意图

一氧化氮是一氧化氮合酶在生物系统中产生的一种高度不稳定的信号分子，在调节免疫、心血管和神经系统方面发挥着重要作用。异常的一氧化氮浓度往往与体内的炎症反应强相关，因此，一氧化氮可能作为关节腔内早期诊断骨关节炎的生物标志物。实时评估关节腔中的相关生物标志物（如一氧化氮），可以在骨关节炎初始阶段揭示病理演变，为骨关节炎的治疗优化提供必要信息。

本工作提出了一种基于有机电化学晶体管的具有高灵敏度的柔性一氧化氮生物传感器，通过设计晶体管有机沟道的几何形状和栅极材料，实现了器件对一氧化氮信号的最佳放大。与传统电化学传感器相比，该传感器具有低响应极限、宽线性范围、高灵敏度和优良的选择性，并具有小型化的传感区域。

图2. 基于有机电化学晶体管的无线柔性一氧化氮传感器的结构设计

在生物实验中，该传感器能够连续检测软骨细胞释放的纳摩尔级别内的一氧化氮长达数小时，且检测前后器件没有明显的信号漂移。此外，结合定制的无线电路模块，实现了在前交叉韧带断裂损伤的新西兰大白兔关节腔8天的一氧化氮实时、无线测量，实验观察到的高水平一氧化氮浓度与骨关节的后期病变有关，为创伤后骨性关节炎的早期诊断和预防性治疗提供了关键信息。

图3. 传感器对细胞、生物活体内一氧化氮的实时连续监测

该成果近期发表于《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences USA），题为“面向连续和无线一氧化氮检测的一种基于有机电化学晶体管的柔性生物传感器”（A flexible and highly sensitive organic electrochemical transistor-based biosensor for continuous and wireless nitric oxide detection）。

本文的通讯作者为清华大学材料学院尹斓副教授和清华大学电子系张沕琳副教授。清华大学材料学院2018级博士生邓雨平、北京创伤骨科研究所副研究员綦惠、清华大学电子系2019级博士生马源以及宾夕法尼亚州州立大学工程科学与力学系2020级硕士生刘尚斌为共同第一作者，合作者包括清华大学材料学院、电子系、北京大学工学院、北京理工大学、北京市创伤骨科研究所、宾夕法尼亚州州立大学、京津冀国家技术创新中心、北京斯微智感科技有限公司等单位。该研究获得了国家自然科学基金、清华大学-北京协和医院合作专项等支持。（供稿：清华大学）