在生物電子器件領(lǐng)域，具有類皮膚力學(xué)特性的設(shè)備能夠與人體實現(xiàn)共形接觸，用于監(jiān)測生理信號，并最大限度減少組織損傷和免疫反應(yīng)?；谟袡C場效應(yīng)晶體管（OFET）的生物傳感器因其高柔韌性、低成本、輕質(zhì)和高可擴展性，在可穿戴和植入式應(yīng)用中備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有的OFET生物傳感器在面對彎曲、拉伸、濕度與溫度變化時，易產(chǎn)生信號偽影與漂移，尤其是在環(huán)境與生理條件下，有機半導(dǎo)體的偏置應(yīng)力不穩(wěn)定性會導(dǎo)致閾值電壓漂移，嚴重影響信號的準確性與可靠性。此外，實現(xiàn)全柔性、可拉伸的OFET生物傳感器——包括半導(dǎo)體、導(dǎo)體、介電層與基底——仍是一個挑戰(zhàn)。

鑒于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南團隊提出一種基于可拉伸二極管連接OFET的類皮膚無漂移生物傳感器。該設(shè)計通過擴展柵的電容耦合與雙柵功能化（目標與參考生物受體）實現(xiàn)干擾信號的差分消除，在偏置應(yīng)力、單軸拉伸（最高100%）、壓縮（最高50 mN）及溫度變化（25–40 °C）等復(fù)雜環(huán)境下，將信號失真降低高達兩個數(shù)量級。研究團隊進一步將該平臺應(yīng)用于基于適體的皮質(zhì)醇傳感、基于酶的葡萄糖傳感與基于離子選擇性膜的鈉離子電位傳感，并開發(fā)出集成柔性印刷電路板與智能手機應(yīng)用的混合無線傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了在急性應(yīng)激事件下對人體汗液中皮質(zhì)醇的實時監(jiān)測。相關(guān)研究成果以題為 “Skin-like drift-free biosensors with stretchable diode-connected organic field-effect transistors”的發(fā)表在《Nature Electronics》上。

【OFET生物傳感器的設(shè)計原理】

該無漂移OFET傳感系統(tǒng)的核心設(shè)計（圖1a）包括兩個關(guān)鍵部分：擴展柵（EG）電容耦合與二極管連接的晶體管對。EG結(jié)構(gòu)將生物功能化的擴展電極與晶體管的柵極相連，用于信號轉(zhuǎn)換，并保護有機半導(dǎo)體不與生物環(huán)境直接接觸。通過優(yōu)化控制柵（CG）與EG之間的電容比例，系統(tǒng)實現(xiàn)了最高靈敏度。在二極管連接配置中，兩個OFET（分別作為目標傳感的“測試OFET”和作為基準的“參考OFET”）的柵極與漏極短接，通過測量柵源電壓（VGS）作為輸出信號，從而將閾值電壓（VT）與跨導(dǎo)參數(shù)（k）及非線性因子（γ）解耦。如圖1b所示，該設(shè)計使系統(tǒng)能有效抑制因偏置應(yīng)力、機械應(yīng)變、運動偽影和溫度變化引起的共同模式干擾，輸出穩(wěn)定的差分信號。

圖 1. 用于無漂移多模生物傳感的類似皮膚的二極管連接 OFET

【柔性可拉伸OFET生物傳感器的制備】

研究團隊開發(fā)了一套全柔性、可拉伸OFET的制備工藝。采用光圖案化的雙層介電材料（NBR與SEBS）與半導(dǎo)體材料DPPTT/BA，結(jié)合碳納米管（CNT）源/漏電極與金納米顆粒修飾的EG，實現(xiàn)了高伸縮性（>100%應(yīng)變）、高遷移率（最高1 cm2V?1s?1）與良好的溶劑抗性（圖2b–h）。所制備的3×3 OFET陣列在固態(tài)與緩沖環(huán)境中均表現(xiàn)出低工作電壓（<5 V）、高開關(guān)比（>103）與匹配的電學(xué)特性（圖2i–l）。實物照片（圖1e）直觀展示了傳感器貼合指尖、被鑷子拉伸的狀態(tài)，以及3×3陣列在手臂上的共形貼合，印證了其類皮膚的柔軟與可拉伸特性。

圖 2. 二極管連接 OFET 的制造和特性

【二極管連接OFET對的漂移消除能力】

實驗表明，在持續(xù)偏置電流（如500 nA）下，單個OFET在20分鐘內(nèi)出現(xiàn)約1.2 V的電壓漂移，而差分輸出信號的漂移平均值僅為15 mV，標準偏差5.6 mV，漂移抑制效果達兩個數(shù)量級（圖3b–c）。在溫度循環(huán)（25–40 °C）與機械應(yīng)變（0–100%）測試中，差分信號變化均小于10 mV，顯示出對溫度波動與多方向應(yīng)變的強魯棒性（圖3d–i）。即便在50 mN的法向壓力下，差分輸出仍穩(wěn)定在10 mV以內(nèi)（圖3j–l）。

圖 3. 無漂移、溫度不敏感、機械應(yīng)變不敏感的輸出二極管連接 OFET 對

【通用型生物傳感平臺的實現(xiàn)】

該傳感器平臺具備多機制傳感能力（圖1c）：（1）適體傳感：以皮質(zhì)醇為例，目標EG修飾皮質(zhì)醇結(jié)合適體，參考EG修飾亂序適體，差分信號在1 pM–100 nM范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)，檢測限低至1 pM（圖4c–h）。（2）酶促傳感：采用葡萄糖氧化酶/普魯士藍修飾的目標EG，實現(xiàn)對葡萄糖的高選擇性檢測，響應(yīng)范圍為25–50 μM（圖4i–l）。（3）離子選擇性膜傳感：通過鈉離子選擇性膜修飾，實現(xiàn)對Na?的電位檢測，濃度范圍為40–160 mM（圖4m–p）。三類機制共同驗證：差分對可將非特異吸附、離子遷移與慢漂移“內(nèi)消”，僅保留與靶標結(jié)合相關(guān)的閾值位移。

圖 4. 自參考 OFET 生物傳感器的傳感示例

【軟體集成無線系統(tǒng)的構(gòu)建與人體驗證】

作者進一步構(gòu)建“軟傳感器＋柔性印刷電路板（FPCB）”的混合集成系統(tǒng)：FPCB含模擬前端、電流/電壓讀出與BLE無線模塊，并通過蛇形互連實現(xiàn)>30%拉伸（可復(fù)制：>30%），整體以Ecoflex軟封裝；軟電極與FPCB之間采用BIND界面連接，在50%拉伸下仍保持高導(dǎo)通（可復(fù)制：50%）（圖5a、圖5b）。配套制作可拉伸汗液儲層并以離子導(dǎo)入（離子導(dǎo)入/iontophoresis）方式刺激出汗，手機App“Chemical E-Skin”完成無線控制與可視化（圖5a）。對比臺式半導(dǎo)體分析儀，集成板的I–V曲線高度重合（圖5c）。在真實在體測試中，作者于急性冷壓應(yīng)激（CPT）條件下探測汗液皮質(zhì)醇：差分讀出在手臂擺動與溫度沖擊下保持平直（圖5e、圖5f），并在CPT后給出穩(wěn)定的皮質(zhì)醇上升；依據(jù)人工汗校準曲線估算濃度約20 nM（可復(fù)制：20 nM）（圖5g）。這提示其在壓力/情緒相關(guān)的可穿戴化學(xué)監(jiān)測方面具備應(yīng)用潛力。

圖 5. 軟系統(tǒng)和無線系統(tǒng)的混合系統(tǒng)級集成

【總結(jié)與展望】

本研究通過內(nèi)置差分電路與雙柵電容耦合設(shè)計，成功開發(fā)出具備高拉伸性、無漂移、抗干擾的類皮膚OFET生物傳感器平臺，實現(xiàn)了對皮質(zhì)醇、葡萄糖與鈉離子等多種目標的高靈敏度檢測。未來，該系統(tǒng)可進一步集成模擬信號調(diào)理電路（如差分放大器、有源濾波器），提升信噪比與靈敏度。該設(shè)計理念與操作機制也有望拓展至其他晶體管型生物傳感系統(tǒng)，如無機金屬氧化物與石墨烯晶體管，推動可穿戴與植入式生物傳感器在健康監(jiān)測與疾病管理中的廣泛應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿

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