近日，湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院张志勇教授-肖梦梦副研究员团队在纳米材料领域国际顶级期刊《ACS Nano》发表了题为“碳纳米材料场效应晶体管生物传感器和基于DNA的生物界面工程”的综述文章。该研究系统梳理了DNA纳米技术在碳基场效应晶体管（FET）生物传感器界面工程中的最新研究进展，为碳基FET生物传感器实现即时检测（POCT）临床转化提供了全新解决方案与关键参考依据，也为该领域后续基础研究与产业化技术开发指明了方向。论文第一作者为研究院与北京大学联合培养的2023级博士研究生邓芳，张志勇教授、肖梦梦副研究员为共同通讯作者，湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院为论文的第一单位。

碳基场效应晶体管（FET）生物传感器凭借高灵敏度、快速响应、低功耗及易集成等优异特性，在即时检测（POCT）领域具备极高的应用价值与广阔前景。然而，该类传感器从实验室基础研究走向稳定可靠的体外诊断实用工具，仍面临诸多技术瓶颈：传统研究范式单一追求极限灵敏度，忽视了长期稳定性、操作可靠性及规模化制造能力的综合提升；传感界面存在生物探针调控精度不足、非特异性吸附现象突出、高离子环境下德拜屏蔽效应显著等问题，严重制约了其临床规模化应用，也形成了实验室研究与实际临床应用之间的技术鸿沟。

图1. 基于DNA纳米技术界面工程的碳基FET生物传感器的关键组成和应用领域

研究团队针对碳基FET生物传感器临床转化的核心痛点，聚焦DNA纳米技术的原子级可编程特性，开展了系统性的梳理与研究。团队通过对1维、2维和3维DNA纳米结构进行系统分类，深入剖析了不同维度DNA纳米结构在优化碳基FET生物传感界面、提升传感核心性能中的协同作用机制，重点阐释了DNA纳米技术在解决碳基FET生物传感器临床转化关键挑战中的潜在应用价值。

研究结果表明，DNA纳米技术为碳基FET生物传感器的界面工程优化提供了全新路径。通过对不同维度DNA纳米结构进行合理设计，可实现对界面生物探针密度、取向、均匀性及可及性的精确调控，该调控策略不仅有助于量化探针分布、揭示固-液界面杂交机制，更能从根本上提升生物传感的重复性与可靠性；同时，DNA纳米结构本身可作为天然抗污层，其表面负电荷通过静电排斥与空间位阻效应，有效减少非特异性吸附，从而增强器件的长期稳定性；此外，DNA纳米结构也为克服高离子环境下的德拜屏蔽效应提供了新策略，推动碳基FET生物传感器的研究范式从单一追求极限灵敏度，转向兼顾长期稳定性、操作可靠性及规模化制造能力的综合性能提升，有效弥合了实验室基础研究与大规模临床应用之间的技术鸿沟。

图2. 基于DNA纳米技术的界面工程策略

湖南先进传感与信息技术创新研究院科研团队聚焦碳基集成电路和新型传感器为代表的新一代信息技术领域，在唐氏综合症筛查、肝癌检测、无创血糖监测等生物传感和甲烷、氢气、甲醛等气体传感器件及其相关技术方面取得重要成果，并已研制全球首条碳基传感芯片示范线，推进相关核心技术产业化。此次在DNA纳米技术赋能碳基FET生物传感器界面工程领域的综述研究成果，进一步丰富了碳基传感技术的研究体系，为碳基FET生物传感器的POCT临床转化与产业化发展奠定了重要的学术和技术基础。

图3. 碳基FET生物传感器技术路线图

该项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湘潭大学研究生科研创新专项、广东省基础与应用基础研究重大专项等项目，以及季华实验室的大力支持。未来，研究团队将继续围绕基于DNA纳米技术的碳基FET生物传感器界面工程创新策略展开研究，以期为解决领域现存挑战、推动碳基传感技术行业高质量发展提供更多学术成果和技术支撑。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.6c01253