同济大学：仿生纳米通道气凝胶晶体管，突破生物传感灵敏度极限

汇聚之精 2025-08-19 共3076人围观

有机电化学晶体管（OECT）因其低工作电压、高信号放大能力和生物相容性，在便携式生物传感器领域极具潜力。然而，传统OECT的致密活性层严重限制了离子渗透与传输效率，导致跨导和灵敏度不足。当前，开发兼具高灵敏度、高选择性且能检测痕量生物分子的便携设备，仍是疾病早期预警和精准医疗的重大挑战。

受人体嗅觉系统中定向离子通道的启发，同济大学黄佳教授、徐洋教授、祖国庆助理教授合作团队通过液晶模板策略，首次开发出定向纳米通道半导体气凝胶及气凝胶基OECT。其中垂直纳米通道结构显著提升了离子传输效率，使跨导高达118.5 mS，较同类尺寸OECT提升4-10倍。基于此的微流控生物传感器系统对尿酸（UA）、免疫球蛋白G（IgG）和DNA的检测限分别达1 pM、0.01 fg mL⁻¹和0.1 pM，比传统器件低1-3个数量级，可实时检测尿液、血清等体液中的痕量生物标志物。

图1 展示了仿生设计理念：人体嗅觉神经元通过垂直排列的离子通道实现高效跨膜传输（图1A），团队据此设计垂直纳米通道气凝胶活性层（图1B），优化离子扩散路径。图2揭示了材料制备与结构：液晶单体RM257在取向层（聚酰亚胺或DMOAP）引导下形成水平或垂直排列的模板，经紫外光聚合和冻干后获得纳米通道气凝胶（图2A）。半导体聚合物（如p(g2T-T)）沉积于模板中形成气凝胶薄膜（图2B），其垂直通道（孔径20–200 nm）在偏光显微镜下呈各向异性（图2C），扫描电镜清晰显示孔道垂直于膜表面（图2D-E）。氮吸附测试证实其高比表面积（163.8 m² g⁻¹）和贯通孔结构（图2F）。

图1仿生定向纳米通道半导体气凝胶OECT的设计：（A）人体嗅觉系统结构与工作机制；（B）致密、随机多孔与定向多孔OECT的结构及离子渗透/传输示意图（黄色为聚合物骨架，蓝色为半导体涂层）。

图2定向纳米通道半导体气凝胶及OECT的制备与微观结构：（A）气凝胶基OECT制备流程；（B）水平/垂直纳米通道气凝胶薄膜照片；（C）偏光显微图像（插图为锥光图）；（D）截面与（E）表面扫描电镜图像；（F）氮气吸附-脱附曲线及孔径分布。

图3验证了电学性能：垂直通道OECT（SP1-V）的跨导（118.5 mS）和μCₛ（16.8 mF V⁻¹ s⁻¹）远超致密器件（图3B-G）。离子传输模拟表明，垂直结构因提供短而连续的离子路径（图3K），5秒内离子浓度较随机孔结构高200%，亚甲蓝扩散实验进一步证实其质量传输优势（图3L）。器件稳定性优异（>6500次循环，图3I），跨导性能领跑同类研究（图3J）。

图3气凝胶基OECT的电学性能：（A）共面栅结构示意图；（B-F）不同活性层的转移曲线与跨导曲线；（G）峰值跨导对比；（H）μCₛ值对比；（I）SP1-V器件的循环稳定性；（J）与已报道器件的性能对比；（K）离子浓度分布模拟；（L）亚甲蓝在不同薄膜中的扩散实验。

图4展示了传感应用：垂直通道OECT功能化后，对UA（尿酸酶修饰电极）、IgG（抗体修饰）和DNA（ssDNA探针）均实现超灵敏检测（图4A-C）。UA传感器检测限低至1 pM（图4D-E），且抗干扰性强（图4F）；IgG和DNA传感器的检测限分别达0.01 fg mL⁻¹（图4G-H）和0.1 pM（图4J-K），选择性显著（图4I,L）。其性能超越现有晶体管传感器和商用设备（图4M-O）。

图4垂直通道气凝胶OECT生物传感器的性能：（A-C）UA/IgG/DNA检测机制；（D,G,J）不同浓度分析物下的转移曲线；（E,H,K）电压偏移与浓度的关系；（F,I,L）选择性测试；（M-O）与现有技术的检测限对比。

图5聚焦系统集成：多通道微流控系统同步检测UA/IgG/DNA（图5A-D），在尿液和血清中成功追踪运动后UA上升（图5F）及痕量IgG/DNA（图5G-H）。检测限优于家用试纸、ELISA试剂盒等（图5I-K）。无线蓝牙模块集成（图5L）实现了心衰标志物NT-proBNP的实时监测（检测限0.1 pg mL⁻¹，图5N），数据可通过手机传输。