同濟大學在仿生嗅覺傳感方面取得進展，突破OECT傳感器靈敏度極限

MEMS 2025-08-24 07:00

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有機電化學晶體管（OECT）因其低工作電壓、高信號放大能力和生物相容性，在便攜式生物傳感器領域極具潛力。然而，傳統OECT的致密活性層嚴重限制了離子滲透與傳輸效率，導致跨導和靈敏度不足。當前，開發兼具高靈敏度、高選擇性且能檢測痕量生物分子的便攜設備，仍是疾病早期預警和精準醫療的重大挑戰。

受人體嗅覺系統中定向離子通道的啟發，同濟大學黃佳教授、徐洋教授、祖國慶助理教授合作團隊通過液晶模板策略，首次開發出定向納米通道半導體氣凝膠及氣凝膠基OECT。其中垂直納米通道結構顯著提升了離子傳輸效率，使跨導高達118.5 mS，較同類尺寸OECT提升4-10倍。基于此的微流控生物傳感器系統對尿酸（UA）、免疫球蛋白G（IgG）和DNA的檢測限分別達1 pM、0.01 fg mL?1和0.1 pM，比傳統器件低1-3個數量級，可實時檢測尿液、血清等體液中的痕量生物標志物。

圖1 展示了仿生設計理念：人體嗅覺神經元通過垂直排列的離子通道實現高效跨膜傳輸（圖1A），團隊據此設計垂直納米通道氣凝膠活性層（圖1B），優化離子擴散路徑。圖2揭示了材料制備與結構：液晶單體RM257在取向層（聚酰亞胺或DMOAP）引導下形成水平或垂直排列的模板，經紫外光聚合和凍干后獲得納米通道氣凝膠（圖2A）。半導體聚合物（如p(g2T-T)）沉積于模板中形成氣凝膠薄膜（圖2B），其垂直通道（孔徑20–200 nm）在偏光顯微鏡下呈各向異性（圖2C），掃描電鏡清晰顯示孔道垂直于膜表面（圖2D-E）。氮吸附測試證實其高比表面積（163.8 m2 g?1）和貫通孔結構（圖2F）。

圖1 仿生定向納米通道半導體氣凝膠OECT的設計：（A）人體嗅覺系統結構與工作機制；（B）致密、隨機多孔與定向多孔OECT的結構及離子滲透/傳輸示意圖（黃色為聚合物骨架，藍色為半導體涂層）。

圖2 定向納米通道半導體氣凝膠及OECT的制備與微觀結構：（A）氣凝膠基OECT制備流程；（B）水平/垂直納米通道氣凝膠薄膜照片；（C）偏光顯微圖像（插圖為錐光圖）；（D）截面與（E）表面掃描電鏡圖像；（F）氮氣吸附-脫附曲線及孔徑分布。

圖3驗證了電學性能：垂直通道OECT（SP1-V）的跨導（118.5 mS）和μC?（16.8 mF V?1 s?1）遠超致密器件（圖3B-G）。離子傳輸模擬表明，垂直結構因提供短而連續的離子路徑（圖3K），5秒內離子濃度較隨機孔結構高200%，亞甲藍擴散實驗進一步證實其質量傳輸優勢（圖3L）。器件穩定性優異（>6500次循環，圖3I），跨導性能領跑同類研究（圖3J）。

圖3 氣凝膠基OECT的電學性能：（A）共面柵結構示意圖；（B-F）不同活性層的轉移曲線與跨導曲線；（G）峰值跨導對比；（H）μC?值對比；（I）SP1-V器件的循環穩定性；（J）與已報道器件的性能對比；（K）離子濃度分布模擬；（L）亞甲藍在不同薄膜中的擴散實驗。

圖4展示了傳感應用：垂直通道OECT功能化后，對UA（尿酸酶修飾電極）、IgG（抗體修飾）和DNA（ssDNA探針）均實現超靈敏檢測（圖4A-C）。UA傳感器檢測限低至1 pM（圖4D-E），且抗干擾性強（圖4F）；IgG和DNA傳感器的檢測限分別達0.01 fg mL?1（圖4G-H）和0.1 pM（圖4J-K），選擇性顯著（圖4I,L）。其性能超越現有晶體管傳感器和商用設備（圖4M-O）。

圖4 垂直通道氣凝膠OECT生物傳感器的性能：（A-C）UA/IgG/DNA檢測機制；（D,G,J）不同濃度分析物下的轉移曲線；（E,H,K）電壓偏移與濃度的關系；（F,I,L）選擇性測試；（M-O）與現有技術的檢測限對比。

圖5聚焦系統集成：多通道微流控系統同步檢測UA/IgG/DNA（圖5A-D），在尿液和血清中成功追蹤運動后UA上升（圖5F）及痕量IgG/DNA（圖5G-H）。檢測限優于家用試紙、ELISA試劑盒等（圖5I-K）。無線藍牙模塊集成（圖5L）實現了心衰標志物NT-proBNP的實時監測（檢測限0.1 pg mL?1，圖5N），數據可通過手機傳輸。