有機電化學晶體管（OECT）是一種薄膜有機電子器件，已被用于多種傳感和監測應用，例如檢測離子、蛋白質、代謝物和病毒等。這些傳感應用利用了OECT的多功能性和靈敏度。OECT是結合了離子和電子傳輸的晶體管器件，由柵極、源極、漏極和有機半導體薄膜組成。聚合物通道在OECT中起著關鍵作用，通過離子摻雜和去摻雜過程調節電導率。這種機制使得OECT能夠在低電壓下高效工作，并將離子信號轉化為電子信號，適用于生物電子學和傳感器等領域。OECT還可以在低成本、柔性襯底上制造，使其在健康和環境應用中備受關注。
據麥姆斯咨詢介紹，美國萊斯大學（Rice University）的一支跨學科研究小組開發出一種利用OECT大幅提高酶和微生物燃料電池靈敏度的創新方法，這是一項有望改變生物電子傳感技術的重大突破。這項研究成果已經以“Amplification of enzymatic and microbial fuel cells using organic electrochemical transistors”為題發表于近期的Device雜志。
這種創新方法將電信號放大了三個數量級，并提高了信噪比，有望實現面向健康和環境監測應用的下一代高靈敏度、低功耗生物傳感器。
與生物燃料電池（EFC或MFC）耦合的OECT。生物燃料電池包含生物成分，如酶或電活性細菌，可將電子輸送到陽極。
論文通訊作者、萊斯大學化學與生物分子工程以及材料科學與納米工程學教授Rafael Verduzco說：“我們展示了一種簡單而強大的技術，可以利用OECT放大微弱的生物電子信號，克服了以往將燃料電池與電化學傳感器集成的難題。這種方法打開了通向更多功能和更高效生物傳感器的大門，可應用于醫學、環境監測甚至可穿戴技術領域?！?/span>
傳統的生物傳感器依賴于目標生物分子與傳感器之間的直接相互作用，當電解質環境不相容時，就會造成限制。這項研究通過將燃料電池與OECT進行電子耦合，而不是將生物分子直接引入傳感器，從而規避了這一挑戰。
“生物電子傳感領域最大的障礙之一，是設計能在不同化學環境中工作而不影響性能的系統?！痹撜撐耐ㄓ嵶髡?、生物科學教授Caroline Ajo-Franklin說，“我們通過保持OECT和燃料電池分立，確保兩個組件的最佳工作條件，同時還實現了強大的信號放大功能?！?/span>
OECT是一種能在水環境中工作的薄膜晶體管，因其高靈敏度和低電壓工作而備受關注。在這項研究中，研究小組將OECT與兩種生物燃料電池集成，以提高其性能。
第一種是酶燃料電池，利用葡萄糖脫氫酶催化葡萄糖氧化，在此過程中產生電能。第二種是微生物燃料電池，依靠電活性細菌代謝有機底物而產生電流。然后，將OECT以兩種不同的配置與燃料電池耦合：陰極-柵極配置和陽極-柵極配置。
陰極-柵極配置中的OECT-EFC放大信號和信噪比（SNR）
研究人員發現，OECT可以放大來自酶和微生物燃料電池的信號，放大倍數從1000到7000不等，具體取決于配置和燃料電池類型。這種放大效果明顯高于傳統的電化學放大技術，后者通常僅能將信號放大10到100倍。
用于酶和微生物燃料電池測量的光刻圖案化OECT器件
研究小組發現，陰極-柵極配置可提供最佳放大效果，尤其是在使用特定聚合物作為通道材料的情況下。陽極-柵極配置也顯示出很強的放大效果，但在燃料電池電流較高的情況下會帶來潛在的挑戰，在某些情況下會導致不可逆的退化。
研究人員發現，除了增強信號強度，OECT還能減少背景噪音，使測量更加精確。傳統的傳感器會受到干擾和信號微弱的影響，但OECT能生成更清晰、更可靠的數據。
這項研究的共同第一作者、萊斯大學斯馬利克爾研究所應用物理學專業的研究生Ravindra Saxena說：“我們觀察到，燃料電池中即使是微小的電化學變化，也能通過OECT轉化為巨大的、易于檢測的電信號。這意味著我們可以比以前更靈敏地檢測到生物分子和污染物?！?/span>
這項技術在現實世界中的應用非常廣泛，研究小組成功地在一塊玻璃片上演示了該系統的微型化版本，證明了這項技術具有可擴展性，可用于便攜式生物傳感器。
最有前景的應用之一是亞砷酸鹽檢測，這是水質安全的關鍵需求。研究小組設計了具有亞砷酸鹽響應的細胞外電子傳遞途徑的大腸桿菌，使它們能夠檢測濃度低至0.1微摩爾/升的亞砷酸鹽，并從OECT放大信號中獲得清晰、可測量的響應。
集成MFC-OECT器件以及在工程大腸桿菌亞砷酸鹽檢測中的應用
除了環境應用，該系統還有望變革可穿戴健康監測，該應用對高能效、高靈敏度生物傳感器有著很高的需求。例如，已利用微生物燃料電池成功演示了汗液中的乳酸感應，這是肌肉疲勞的指標之一。
該論文共同第一作者、生物科學系博士后Xu Zhang說：“運動員、病人甚至士兵都能受益于實時代謝監測，不再需要復雜的大功率電子設備。”
研究人員強調，了解OECT和燃料電池之間的功率動態是優化傳感器性能的關鍵，他們確定了兩種不同的工作模式。在功率不匹配模式下，燃料電池產生的功率小于OECT所需的功率，因此靈敏度較高，但工作時更接近短路條件。與此相反，在功率匹配模式下，燃料電池產生的功率足以驅動OECT，從而獲得更穩定、更準確的讀數。
Verduzco說：“通過對這些相互作用進行微調，我們可以設計出適合不同應用的傳感器，從高靈敏度的醫療診斷到堅固耐用的環境監測傳感器等。我們相信，該創新方法將改變我們對生物電子傳感的思路，這是一種簡單、高效且可擴展的解決方案?！?/span>
論文信息：
DOI: 10.1016/j.device.2025.100714延伸閱讀：
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
《可穿戴傳感器技術及市場-2025版》
《印刷和柔性傳感器技術及市場-2024版》
