DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-025-00383-x
تاريخ النشر: 2025-02-13
المؤلف: Zhengquan Lu وآخرون
الموضوع الرئيسي: البوليمرات الموصلة وتطبيقاتها
نظرة عامة
تتناول المراجعة التقدمات في أجهزة الاستشعار الحيوية التي تستخدم الترانزستورات العضوية الكهروكيميائية (OECTs)، مع التركيز على توافقها الحيوي، وانخفاض جهد التشغيل، وتضخيم الإشارة الكبير. على مدار السنوات الخمس الماضية، ظهرت OECTs كأجهزة واعدة للكشف عن مجموعة متنوعة من الجزيئات الحيوية، بما في ذلك الجزيئات الصغيرة مثل الجلوكوز والدوبامين، بالإضافة إلى الجزيئات الكبيرة مثل الحمض النووي والبروتينات. تلخص المراجعة التطورات الأخيرة في تعزيز حساسية وقدرات الكشف لهذه المستشعرات، مع معالجة الحاجة إلى تحسينات في الكشف عالي الإنتاجية والتكامل مع الميكروفلويديات وتصميمات الدوائر المتقدمة.
في الختام، يتم وضع أجهزة الاستشعار الحيوية القائمة على OECT كأدوات من الجيل التالي للكشف السريع وفي الوقت الحقيقي عن الجزيئات الحيوية عبر سوائل الجسم المختلفة، مع تطبيقات محتملة في الطب الحيوي، وتشخيص الأمراض، وسلامة الغذاء. تسلط المراجعة الضوء على أهمية دمج تقنيات الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة (AI/ML) لتحسين الأداء، بما في ذلك تحليل البيانات وتقليل الضوضاء. على الرغم من التحديات القائمة، مثل الحاجة إلى الكشف المتزامن عن عدة مواد تحليلية، يبدو أن مستقبل أجهزة الاستشعار الحيوية OECT واعد، مع فرص لتوسيع تطبيقاتها في مجالات مثل فحص علامات السرطان وكشف مسببات الأمراض. البحث المستمر والابتكار ضروريان لتحقيق الإمكانيات الكاملة لـ OECTs في الكشف الجزيئي.
نقاش
يسلط النقاش حول مستشعرات الجزيئات الحيوية القائمة على OECT الضوء على تصنيف هذه المستشعرات إلى فئتين: تلك الخاصة بالجزيئات الحيوية الصغيرة (مثل الجلوكوز والدوبامين) والجزيئات الحيوية الكبيرة (مثل الحمض النووي، RNA، البروتينات). تختلف آليات الكشف بشكل كبير بين هاتين الفئتين، حيث يتم عادةً الكشف عن الجزيئات الصغيرة من خلال تفاعلات مع مستقبلات أو إنزيمات محددة تؤثر على نقل الأيونات أو نقل الإلكترونات، بينما تتطلب الجزيئات الحيوية الأكبر جزيئات تعرف محددة للاحتجاز. تؤكد هذه الفقرة على التقدمات الأخيرة في تكنولوجيا OECT، لا سيما في الكشف عن الجلوكوز، وهو أمر حاسم لإدارة مرض السكري. يتيح استخدام أوكسيداز الجلوكوز (GOx) المفعّل على أقطاب البوابة مراقبة مستويات الجلوكوز في الوقت الحقيقي من خلال تفاعلات كهروكيميائية تؤثر على جهد البوابة الفعال ($V_{eff}$) والتيار المسحوب ($I_D$).
من الجدير بالذكر أنه تم استخدام استراتيجيات متنوعة لتعزيز حساسية وأداء مستشعرات الجلوكوز القائمة على OECT، بما في ذلك دمج المركبات الكهروكيميائية مثل نافيون لتقليل التداخل وتحسين تفاعلات سطح البوابة. أظهرت الابتكارات مثل OECTs البلازمونية (POET) وطرق الكشف غير الإنزيمية باستخدام البوليمرات المفعلة تحسينات كبيرة في الحساسية وحدود الكشف. علاوة على ذلك، يقدم تطوير OECTs المرنة والقابلة للتحلل طرقًا واعدة لحلول مراقبة الجلوكوز القابلة للارتداء والصديقة للبيئة. تناقش الفقرة أيضًا التقدمات في الكشف عن الدوبامين، حيث تم تحسين OECTs لتحقيق حساسية وانتقائية عالية من خلال تعديلات مختلفة على البوابة والقناة، مما يبرز إمكانيات هذه المستشعرات في التطبيقات الطبية الحيوية. بشكل عام، يبرز البحث الدور الحاسم لـ OECTs في تقدم تكنولوجيا الاستشعار الحيوي لكل من الجزيئات الحيوية الصغيرة والكبيرة، مع التركيز على تحسين الأداء من خلال مواد وتصميمات مبتكرة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-025-00383-x
Publication Date: 2025-02-13
Author(s): Zhengquan Lu et al.
Primary Topic: Conducting polymers and applications
Overview
The review discusses the advancements in biosensors utilizing organic electrochemical transistors (OECTs), emphasizing their biocompatibility, low operating voltage, and significant signal amplification. Over the past five years, OECTs have emerged as promising devices for detecting a variety of biomolecules, including small molecules like glucose and dopamine, as well as macromolecules such as DNA and proteins. The review summarizes recent developments in enhancing the sensitivity and detection capabilities of these sensors, while also addressing the need for improvements in high-throughput detection and integration with microfluidics and advanced circuit designs.
In conclusion, OECT-based biosensors are positioned as next-generation tools for rapid and real-time biomolecule detection across various body fluids, with potential applications in biomedicine, disease diagnosis, and food safety. The review highlights the importance of integrating artificial intelligence and machine learning (AI/ML) technologies to optimize performance, including data analysis and noise reduction. Despite existing challenges, such as the need for simultaneous detection of multiple analytes, the future of OECT biosensors appears promising, with opportunities for expanding their application in areas like cancer marker screening and detection of pathogens. Continued research and innovation are essential to fully realize the capabilities of OECTs in molecular detection.
Discussion
The discussion on OECT-based biomolecule sensors highlights the classification of these sensors into two categories: those for small biomolecules (e.g., glucose, dopamine) and large biomolecules (e.g., DNA, RNA, proteins). The detection mechanisms vary significantly between these categories, with small molecules typically detected through reactions with specific receptors or enzymes that alter ion transport or electron transfer, while larger biomolecules require specific recognition molecules for capture. This section emphasizes recent advancements in OECT technology, particularly for glucose detection, which is crucial for diabetes management. The use of glucose oxidase (GOx) functionalized on gate electrodes enables real-time monitoring of glucose levels through electrochemical reactions that affect the effective gate voltage ($V_{eff}$) and drain current ($I_D$).
Notably, various strategies have been employed to enhance the sensitivity and performance of OECT-based glucose sensors, including the integration of electroactive compounds like Nafion to reduce interference and improve gate surface reactions. Innovations such as plasmonic OECTs (POET) and non-enzymatic detection methods using functionalized polymers have demonstrated significant improvements in sensitivity and detection limits. Furthermore, the development of flexible and biodegradable OECTs presents promising avenues for wearable and eco-friendly glucose monitoring solutions. The section also discusses advancements in dopamine detection, where OECTs have been optimized for high sensitivity and selectivity through various gate and channel modifications, showcasing the potential of these sensors in biomedical applications. Overall, the research underscores the critical role of OECTs in advancing biosensing technologies for both small and large biomolecules, with a focus on enhancing performance through innovative materials and designs.