ACS SENS | 无聚合物黏弹性微流控集成石墨烯晶体管：实现唾液牙龈卟啉单胞菌的快速检测

牙周炎关键致病菌——牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis）的快速检测对疾病诊断和全身健康管理至关重要，但传统方法耗时、操作复杂，而石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器虽具高灵敏度，却受限于唾液基质的复杂成分（如黏蛋白、高离子强度）引起的信号干扰和非特异性吸附。因此，亟需一种高效、简便且易于集成的唾液前处理策略，以实现GFET传感器在唾液检测中的可靠应用。

本文开发了一种集成无聚合物粘弹性微流控前处理模块与石墨烯场效应晶体管（GFET）的生物传感器平台，用于唾液样本中牙周炎关键致病菌P. gingivalis的快速检测。该微流控模块利用唾液自身粘弹性实现细菌与蛋白的高效分离，结合抗体功能化的Au侧栅和参考栅差分校正策略，显著提高了检测的灵敏度和抗干扰能力，最终在临床样本中实现了291CFU/mL的检测限，并以94.1%的灵敏度和100%的特异性准确区分牙周炎患者与健康对照，为牙周炎的即时诊断提供了一种高效、自动化的新方案。该研究成果以“Polymer-free Viscoelastic Microfluidics-Integrated Graphene Transistor Biosensing of Saliva Porphyromonas gingivalis for Periodontitis Diagnosis”为题，发表在《ACS Sensors》期刊上。

01 集成平台设计：微流控预处理与GFET检测的模块化串联

平台由两个功能模块无缝衔接组成。

• 微流控预处理模块：利用唾液本身粘弹性，将稀释唾液（粘弹性流体）与PBS（牛顿流体）共流，产生协同的惯性升力与弹性升力，使较大的P. gingivalis细菌向通道中心聚焦，而较小的蛋白质被侧向分流至边缘；
• GFET检测模块：采用单层层状石墨烯沟道，金侧栅电极经抗体功能化后作为传感电极，通过电解质双电层（EDL）原理实现低电压门控和电信号转导；
• 流程优势：唾液稀释进样→微流控分离→富集菌液进入GFET栅极→电学读出，全程紧凑、低耗、易自动化，总样品消耗极低。

02 无聚合物粘弹性分离：让唾液本征流变特性驱动分离

传统粘弹性微流控需外源聚合物（如PEO、PVP）提供弹性力，增加了样品污染和操作复杂度。该团队创新性地利用唾液本征粘弹性，实现了无添加剂的粒子聚焦。

• 力学机制：在50%唾液体系中，弹性升力（Fe∝a³）与惯性升力（Fi∝a⁴）协同作用，尺寸差异驱动不同粒子迁移至不同平衡位置；
• 模拟预测：Oldroyd-B模型显示，2μm颗粒迁移至距侧壁10.1μm处（近中心），0.6μm颗粒至8.6μm，FITC-BSA蛋白仅2.3μm；
• 实验验证：荧光轨迹显示50%唾液时PS颗粒分离效率达88.8%，BSA去除率82%，Outlet 2中颗粒纯度92%；
• 浓度优化：20%唾液弹性力不足（效率58.2%），95%唾液因剪切稀化导致中心粘滞阻力增大、600nm颗粒迁移受限，50%为最佳条件。

03 P. gingivalis分离：从标准颗粒到真实细菌的跨越

将优化条件应用于真实唾液样本中的P. gingivalis分离。

• 分离轨迹：SYTO 9标记的P. gingivalis在通道中向中心线迁移，主要富集于Outlet 2；
• 流速优化：样品/鞘流流速比5:15μL/min时，细菌相对纯度最高，分离效率最优；
• 性能指标：该条件下实现93.8%的细菌回收率和82.1%的蛋白质去除率，Outlet 2中P. gingivalis相对纯度达81.5%；
• 供体稳定性：14名独立供体的唾液样本在相同条件下均保持稳定分离性能，证明方法对个体间流变学差异具有鲁棒性。

04 GFET传感器构建：从石墨烯品质到抗体功能化

GFET芯片的制备与表面功能化质量直接决定检测可靠性。

• 材料表征：拉曼光谱显示G峰（~1560 cm^-1）和2D峰（~2650 cm^-1），I2D/IG=2.1，证实单层石墨烯低缺陷品质；输出特性曲线呈线性，表明石墨烯与Au电极形成良好欧姆接触；
• 表面功能化：Au栅极依次修饰SH-PEG-NHS连接层和抗P. gingivalis抗体，接触角从78.3°→28.4°→46.9°，AFM粗糙度从bare Au增至3.81nm，XPS N 1s峰显著增强，逐步验证修饰成功；
• 电学响应：功能化后Dirac点依次正移约35mV（连接层）和79mV（抗体），表明表面电荷环境改变；
• EDL门控原理：栅极/电解质和电解质/石墨烯双电层电容串联，细菌结合引起栅极界面电位变化，经双电层耦合至沟道，转化为可测的Dirac点位移。

05 差分校准策略与传感性能：消除基质干扰

唾液复杂基质易引起基线漂移，团队引入参考栅极（R-gate）差分校准。

• 漂移问题：无校准时，T-gate在PBS和唾液中300s内ΔVDirac显著上移，环境干扰大；
• 校准效果：R-gate与T-gate差分后，ΔVDirac波动控制在零基线附近（变化率<0.1%），有效抑制共模干扰；
• 微流控增益：经微流控预处理后，相同浓度P. gingivalis的ΔVDirac响应显著增强，检测线性范围10³–10⁸CFU/mL，LOD=291CFU/mL；
• 特异性：对P. intermedia、S. mutans、S. aureus等6种口腔常见菌无交叉反应，混合菌液中仍可精准识别P. gingivalis；
• 稳定性与重现性：同栅极连续测量RSD=2.02%，片内3个栅极RSD=1.34%，片间8个器件RSD=2.91%，单栅极可重复检测14次。

06 临床验证：从实验室到患者唾液

平台最终在北京大学口腔医院收集的临床样本中接受检验。

• 样本检测：17例牙周炎患者（CP）和8例健康对照（H）的唾液样本检测显示，CP组ΔVDirac显著高于H组；
• 与qPCR对比：GFET与qPCR结果高度一致，但GFET组间差异更显著（p<0.001 vs qPCR的p<0.01）；
• 诊断效能：ROC曲线AUC达0.99（qPCR为0.87），以18.2mV为截断值时，灵敏度94.1%，特异度100%，准确度96%；
• 混淆矩阵：17例CP中正确检出16例，8例H全部正确识别，仅1例CP被误判为健康。

总结与展望

本文成功开发了一种无聚合物粘弹性微流控与石墨烯场效应晶体管（GFET）集成的生物传感平台，利用唾液自身粘弹性实现目标菌高效分离和灵敏检测，在临床样本中展现出优异的诊断准确性。该平台具有操作简便、低消耗、易于自动化的特点，适用于牙周炎的即时检测。

未来，该技术有望拓展至其他唾液生物标志物的检测和多靶标联用，同时需进一步优化器件的长期稳定性和低成本制造，以推动其临床转化与广泛应用。

文献信息

期刊：ACS Sensors(IF=10.9)

发表日期：2026年8月28日

原文链接：https://doi.org/10.1021/acssensors.5c04882