近日，湖南先进传感与信息技术创新研究院/北京大学电子学院张志勇-肖梦梦团队，在国际知名期刊《ACS Nano》（纳米）发表题为“用于场效应晶体管生物传感器的模块化功能化栅极，实现痕量miRNA的可靠检测”（Modular Functionalized Gates for Field-Effect Transistor Biosensors Enabling Reliable Detection of Trace miRNAs）的研究论文，提出一种模块化场效应晶体管（FET）生物传感新架构，从器件结构层面突破长期制约FET生物传感器发展的关键瓶颈。我校/北京大学的张志勇教授与肖梦梦副研究员、首都医科大学儿科研究所的柯跃华研究员为共同通讯作者，我校的博士研究生陈佳与博士后何建平为共同第一作者。
晶圆级栅模块光学照片及CBD架构示意图
FET生物传感器因具备高灵敏度、免标记和易于集成等优势，被认为是下一代生物检测的重要技术路线。然而，其在实际应用中长期面临功能化过程对FET器件性能造成不可逆损伤，导致器件间差异显著，同时传统结构难以实现重复使用，制备流程复杂且成本高昂等关键挑战。为此，研究团队创新性地提出一种解耦式模块化生物检测装置（CBD），其核心在于将生物功能化界面（栅模块）与信号转导单元（FTU，场效应晶体管单元）进行物理分离。该设计避免了苛刻的生化处理对脆弱半导体沟道的直接影响，从而确保了晶体管性能的稳定性。得益于这一架构，敏感栅模块可独立进行表面处理与优化。电化学表征显示，其具有出色的批次间一致性，能达到与同批次高性能FET器件相当的水平，显著优于传统集成工艺。
团队以典型的癌症相关标志物miRNA-21为模型靶标进行系统检测。该CBD平台展现出超高的灵敏度，并具有优异的选择和良好的批次间稳定性。
此外，将该平台用于健康对照及肝癌、肺癌、乳腺癌患者（48例）的临床血清样本检测，该平台与临床金标准方法qRT-PCR的结果相关性达R²= 0.98，并能够成功区分癌症患者。
该研究的核心贡献在于提出了一种普适性强的FET生物传感新范式。通过结构性解耦，实现了器件性能一致性、可复用性与制造成本之间的协同优化。该架构可拓展至其他低维材料与生物靶标检测，为开发下一代适用于床旁诊断和规模化筛查的高性能生物传感器提供了可行的技术路径。
临床样本验证中CBD平台检测结果与qRT-PCR的对比
论文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6c02925
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