- 有機電化學晶體管將生物電子傳感器的靈敏度提高了三個數量級
- 來源：萊斯大學 發表于 2025/3/7
與生物燃料電池（EFC 或 MFC）耦合的 OECT 概述它們具有將電子傳遞到陽極的生物成分，例如酶或電活性細菌。圖片來源：《設備》（2025 年）。DOI：10.1016/j.device.2025.100714
在一項可能改變生物電子傳感領域的重大突破中，萊斯大學的一個跨學科研究團隊開發出一種新方法，利用有機電化學晶體管（OECT）大幅提升酶和微生物燃料電池的靈敏度。這項研究近期發表于《設備》雜志。
這種創新方法將電信號放大了三個數量級，還提高了信噪比，這有望催生下一代高靈敏度、低功耗的生物傳感器，用于健康監測和環境監測。
“我們展示了一種簡單卻強大的技術，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時面臨的難題。” 該研究的通訊作者拉斐爾・維爾杜斯科說道，他是化學與生物分子工程以及材料科學與納米工程教授。“這種方法為更通用、更高效的生物傳感器開辟了道路，這些傳感器可應用于醫學、環境監測，甚至可穿戴技術領域。”
傳統生物傳感器依賴目標生物分子與傳感器設備之間的直接相互作用，當電解質環境不兼容時，這種方式會存在局限性。而這項研究通過將燃料電池與 OECT 進行電子耦合，而非直接將生物分子引入傳感器，從而避開了這一難題。
“生物電子傳感領域最大的障礙之一，就是設計出能在不同化學環境中工作且不影響性能的系統。” 通訊作者卡羅琳・阿喬 - 富蘭克林表示。她是生物科學教授、萊斯合成生物學研究所所長，也是德克薩斯州癌癥預防與研究所學者。“通過將 OECT 和燃料電池分開，我們在保證兩者處于最佳工作條件的同時，還實現了強大的信號放大功能。”
OECT 是一種在水性環境中工作的薄膜晶體管，因其高靈敏度和低電壓運行特性而備受關注。在這項研究中，該團隊將 OECT 與兩種生物燃料電池相結合，以提升其性能。
第一種是酶燃料電池，它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產生電流。隨后，OECT 以陰極柵極和陽極柵極這兩種不同配置與燃料電池進行耦合。
研究人員發現，根據配置和燃料電池類型的不同，OECT 能夠將酶和微生物燃料電池的信號放大 1000 至 7000 倍不等。這一放大效果遠超傳統的電化學放大技術，后者通常只能將信號增強 10 到 100 倍。
萊斯大學研究生拉溫德拉・薩克塞納展示了一種用于測量酶和微生物燃料電池的光刻圖案 OECT 設備。圖片來源：萊斯大學。
研究團隊發現，陰極柵極配置的放大效果最佳，尤其是在使用特定聚合物作為通道材料時。陽極柵極配置雖然也有很強的放大能力，但在燃料電池電流較高時會帶來潛在問題，在某些情況下甚至會導致不可逆的性能下降。
除了增強信號強度，研究人員還發現 OECT 能降低背景噪聲，使測量結果更加精確。傳統傳感器常受干擾和微弱信號的困擾，而 OECT 能產生更清晰、更可靠的數據。
“我們觀察到，借助 OECT，即使燃料電池中發生極其微小的電化學變化，也能轉化為易于檢測的大幅電信號。” 該研究的共同第一作者、萊斯大學斯莫利 - 庫爾研究所應用物理項目的研究生拉溫德拉・薩克塞納說道。“這意味著我們能夠比以往更靈敏地檢測生物分子和污染物。”
這項技術的實際應用前景廣闊。研究團隊成功在單塊載玻片上展示了該系統的小型化版本，證明這項技術具有可擴展性，可用于便攜式生物傳感器。
其中最具前景的應用之一是亞砷酸鹽檢測，這在水安全領域至關重要。該團隊通過基因工程改造大腸桿菌，使其具備亞砷酸鹽響應性細胞外電子轉移途徑，借助 OECT 放大的信號，能清晰、準確地檢測出低至每升 0.1 微摩爾濃度的亞砷酸鹽。
除環境應用外，該系統還有望徹底改變可穿戴健康監測領域，因為該領域對節能且高靈敏度的生物傳感器需求極大。例如，利用微生物燃料電池成功實現了對汗液中乳酸的檢測，而乳酸是肌肉疲勞的一項指標。
“運動員、患者，甚至士兵都能從實時代謝監測中受益，且無需依賴復雜的高功率電子設備。” 共同第一作者、生物科學系博士后張旭表示。
研究人員強調，了解 OECT 和燃料電池之間的功率動態關系是優化傳感器性能的關鍵，他們識別出兩種不同的運行模式。在功率失配模式下，燃料電池產生的功率低于 OECT 所需功率，雖然靈敏度較高，但運行狀態更接近短路。相比之下，當燃料電池產生的功率足以驅動 OECT 時，就會進入功率匹配模式，此時讀數更穩定、更準確。
“通過對這些相互作用進行微調，我們能夠針對不同應用設計專用傳感器，從高靈敏度的醫學診斷到堅固耐用的環境監測設備都可實現。” 維爾杜斯科說，“我們相信這種方法將改變我們對生物電子傳感的認知。這是一種簡單、有效且可擴展的解決方案。”
更多信息：拉溫德拉・薩克塞納等人，《使用有機電化學晶體管放大酶和微生物燃料電池》，《設備》（2025 年）。DOI：10.1016/j.device.2025.100714
期刊信息：《設備》
引用：有機電化學晶體管將生物電子傳感器靈敏度提高三個數量級（2025 年 2 月 26 日），于 2025 年 3 月 6 日取自https://phys.org/news/2025 - 02 - electrochemical - transistors - bioelectronic - sensor - sensitivity.html
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