柔性电子女神，鲍哲南院士，最新Nature大子刊！

在生物电子器件领域，具有类皮肤力学特性的设备能够与人体实现共形接触，用于监测生理信号，并最大限度减少组织损伤和免疫反应。基于有机场效应晶体管（OFET）的生物传感器因其高柔韧性、低成本、轻质和高可扩展性，在可穿戴和植入式应用中备受关注。然而，现有的OFET生物传感器在面对弯曲、拉伸、湿度与温度变化时，易产生信号伪影与漂移，尤其是在环境与生理条件下，有机半导体的偏置应力不稳定性会导致阈值电压漂移，严重影响信号的准确性与可靠性。此外，实现全柔性、可拉伸的OFET生物传感器——包括半导体、导体、介电层与基底——仍是一个挑战。

鉴于此，斯坦福大学鲍哲南团队提出一种基于可拉伸二极管连接OFET的类皮肤无漂移生物传感器。该设计通过扩展栅的电容耦合与双栅功能化（目标与参考生物受体）实现干扰信号的差分消除，在偏置应力、单轴拉伸（最高100%）、压缩（最高50 mN）及温度变化（25–40 °C）等复杂环境下，将信号失真降低高达两个数量级。研究团队进一步将该平台应用于基于适体的皮质醇传感、基于酶的葡萄糖传感与基于离子选择性膜的钠离子电位传感，并开发出集成柔性印刷电路板与智能手机应用的混合无线传感系统，实现了在急性应激事件下对人体汗液中皮质醇的实时监测。相关研究成果以题为 “Skin-like drift-free biosensors with stretchable diode-connected organic field-effect transistors”的发表在《Nature Electronics》上。

【OFET生物传感器的设计原理】

该无漂移OFET传感系统的核心设计（图1a）包括两个关键部分：扩展栅（EG）电容耦合与二极管连接的晶体管对。EG结构将生物功能化的扩展电极与晶体管的栅极相连，用于信号转换，并保护有机半导体不与生物环境直接接触。通过优化控制栅（CG）与EG之间的电容比例，系统实现了最高灵敏度。在二极管连接配置中，两个OFET（分别作为目标传感的“测试OFET”和作为基准的“参考OFET”）的栅极与漏极短接，通过测量栅源电压（VGS）作为输出信号，从而将阈值电压（VT）与跨导参数（k）及非线性因子（γ）解耦。如图1b所示，该设计使系统能有效抑制因偏置应力、机械应变、运动伪影和温度变化引起的共同模式干扰，输出稳定的差分信号。

图 1. 用于无漂移多模生物传感的类似皮肤的二极管连接 OFET

【柔性可拉伸OFET生物传感器的制备】

研究团队开发了一套全柔性、可拉伸OFET的制备工艺。采用光图案化的双层介电材料（NBR与SEBS）与半导体材料DPPTT/BA，结合碳纳米管（CNT）源/漏电极与金纳米颗粒修饰的EG，实现了高伸缩性（>100%应变）、高迁移率（最高1 cm²V⁻¹s⁻¹）与良好的溶剂抗性（图2b–h）。所制备的3×3 OFET阵列在固态与缓冲环境中均表现出低工作电压（<5 V）、高开关比（>10³）与匹配的电学特性（图2i–l）。实物照片（图1e）直观展示了传感器贴合指尖、被镊子拉伸的状态，以及3×3阵列在手臂上的共形贴合，印证了其类皮肤的柔软与可拉伸特性。

图 2. 二极管连接 OFET 的制造和特性

【二极管连接OFET对的漂移消除能力】

实验表明，在持续偏置电流（如500 nA）下，单个OFET在20分钟内出现约1.2 V的电压漂移，而差分输出信号的漂移平均值仅为15 mV，标准偏差5.6 mV，漂移抑制效果达两个数量级（图3b–c）。在温度循环（25–40 °C）与机械应变（0–100%）测试中，差分信号变化均小于10 mV，显示出对温度波动与多方向应变的强鲁棒性（图3d–i）。即便在50 mN的法向压力下，差分输出仍稳定在10 mV以内（图3j–l）。

图 3. 无漂移、温度不敏感、机械应变不敏感的输出二极管连接 OFET 对

【通用型生物传感平台的实现】

该传感器平台具备多机制传感能力（图1c）：（1）适体传感：以皮质醇为例，目标EG修饰皮质醇结合适体，参考EG修饰乱序适体，差分信号在1 pM–100 nM范围内呈线性响应，检测限低至1 pM（图4c–h）。（2）酶促传感：采用葡萄糖氧化酶/普鲁士蓝修饰的目标EG，实现对葡萄糖的高选择性检测，响应范围为25–50 μM（图4i–l）。（3）离子选择性膜传感：通过钠离子选择性膜修饰，实现对Na⁺的电位检测，浓度范围为40–160 mM（图4m–p）。三类机制共同验证：差分对可将非特异吸附、离子迁移与慢漂移“内消”，仅保留与靶标结合相关的阈值位移。

图 4. 自参考 OFET 生物传感器的传感示例

【软体集成无线系统的构建与人体验证】

作者进一步构建“软传感器＋柔性印刷电路板（FPCB）”的混合集成系统：FPCB含模拟前端、电流/电压读出与BLE无线模块，并通过蛇形互连实现>30%拉伸（可复制：>30%），整体以Ecoflex软封装；软电极与FPCB之间采用BIND界面连接，在50%拉伸下仍保持高导通（可复制：50%）（图5a、图5b）。配套制作可拉伸汗液储层并以离子导入（离子导入/iontophoresis）方式刺激出汗，手机App“Chemical E-Skin”完成无线控制与可视化（图5a）。对比台式半导体分析仪，集成板的I–V曲线高度重合（图5c）。在真实在体测试中，作者于急性冷压应激（CPT）条件下探测汗液皮质醇：差分读出在手臂摆动与温度冲击下保持平直（图5e、图5f），并在CPT后给出稳定的皮质醇上升；依据人工汗校准曲线估算浓度约20 nM（可复制：20 nM）（图5g）。这提示其在压力/情绪相关的可穿戴化学监测方面具备应用潜力。

图 5. 软系统和无线系统的混合系统级集成

【总结与展望】

本研究通过内置差分电路与双栅电容耦合设计，成功开发出具备高拉伸性、无漂移、抗干扰的类皮肤OFET生物传感器平台，实现了对皮质醇、葡萄糖与钠离子等多种目标的高灵敏度检测。未来，该系统可进一步集成模拟信号调理电路（如差分放大器、有源滤波器），提升信噪比与灵敏度。该设计理念与操作机制也有望拓展至其他晶体管型生物传感系统，如无机金属氧化物与石墨烯晶体管，推动可穿戴与植入式生物传感器在健康监测与疾病管理中的广泛应用。

来源：高分子科学前沿

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