浮栅 OECT “新装备”：聚（苯并咪唑并菲咯啉）助力可穿戴酶传感器开启汗液代谢物检测新篇

为解决传统 OECT 酶传感器受催化副产物污染影响性能的问题，太原理工大学研究人员开展可穿戴酶传感器研究。他们用 BBL - Nafion - 酶 - Nafion 堆叠结构修饰 FG OECT，实现汗液代谢物高灵敏检测，对健康监测意义重大，值得一读。

　　

在健康监测的大舞台上，汗液检测正逐渐崭露头角。汗液里藏着许多 “小秘密”，包含葡萄糖、尿酸、胆固醇和乳酸等多种代谢物。与血液采集相比，获取汗液采用的是非侵入性技术，就像轻轻擦去汗水就能获取检测样本，简单又方便，对了解人体生理状态意义重大。比如说，人体汗液中葡萄糖浓度正常范围在 10 μM 到 1mM 之间，如果偏离这个范围，很可能是患上了糖尿病；乳酸浓度异常变化，可能意味着身体有血栓、呼吸疾病，严重时甚至会引发休克；尿酸则是心血管疾病的风险因素，在痛风患者的汗液中，尿酸水平明显高于健康人 。所以，研发能实时监测汗液代谢物浓度变化的非侵入性传感器，成了科研人员们的热门研究方向。

有机电化学晶体管（OECT）凭借自身独特的 “本领”，在汗液传感器领域备受关注。它有着信号放大能力强、工作电压低、生物相容性好等优点，就像一个 “小能手”，只要在它上面修饰特定的酶，就能检测出大多数汗液代谢产物。不少科研团队已经在这方面做出了成果，像 Macaya 等人首次将 OECT 应用于葡萄糖传感器，检测限低至 1 μM；Yan 等人通过用石墨烯基材料和葡萄糖氧化酶（GOx）修饰 OECT 的铂栅电极，把葡萄糖检测灵敏度提升到检测限低至 10 nM 。还有很多团队也在不断探索，提出了具有多分析物传感能力的 OECT 基生物传感器。

不过，OECT 酶传感器也有自己的 “小烦恼”。酶催化反应产生的副产物常常来 “捣乱”，会污染传感器，影响 OECT 的性能，限制检测的准确性。比如氢离子和氧气可能会改变半导体层的电化学（去）掺杂状态，而葡萄糖的反应产物 d - 葡萄糖 - 1,5 - 内酯、乳酸的反应产物丙酮酸、胆固醇的反应产物胆甾 - 4 - 烯 - 3 - 酮等，会吸附在栅电极 / 电解质界面或半导体层 / 电解质界面，改变界面电容。

为了解决这些问题，太原理工大学集成电路学院等单位的研究人员在《Journal of Nanobiotechnology》期刊上发表了一篇名为 “A wearable enzyme sensor enabled by the floating - gate OECT with poly (benzimidazobe nzophenanthroline) as the catalytic layer” 的论文。研究人员发现，采用聚（苯并咪唑并菲咯啉）（BBL） - Nafion - 酶 - Nafion 堆叠结构修饰 OECT 的浮栅（FG），能打造出性能优异的可穿戴酶传感器。这一成果为汗液代谢物的多重检测开辟了新途径，对实现实时、无创的健康监测意义非凡。

在这项研究中，研究人员用到了几个关键技术方法。首先是 FG OECT 的制备，采用多步图案化工艺，在柔性基板上制作出半导体通道、Ag/AgCl 非极化电极等结构。其次是敏感层的优化，通过实验对比不同材料（如 Pt、BBL、普鲁士蓝（PB））对过氧化氢（）的催化性能，确定 BBL 为最佳敏感材料，并对 FG2 电极的几何形状进行优化。最后是利用扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB - SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT - IR）等多种表征手段，对堆叠层的形貌、成分和润湿性等进行分析。

下面我们来详细看看研究结果。

• 酶传感器的工作原理：FG OECT 就像一个分工明确的 “小工厂”，有信号放大单元（AU）和传感单元（SU）两个关键部分。AU 由源极（S）、漏极（D）、半导体通道、初级浮栅（FG1）和初级电解质组成；SU 由次级浮栅（FG2）、控制栅（CG）和次级电解质构成。次级电解质为 SU 提供反应场所，初级电解质和半导体通道之间形成的双电层界面电容则是 AU 的介电层。FG 结构能把栅介电电解质（初级电解质）和生化反应电解质（次级电解质）分开，让信号放大和生化传感过程 “各自为政”，实现独立的结构设计和性能优化。当汗液中的代谢物（如葡萄糖、乳酸、尿酸）存在于次级电解质中时，嵌入的酶（如 GOx）会催化代谢物产生，BBL 薄膜再催化，诱导产生电化学能斯特电位，进而控制 FG1 的电位，将分析物浓度转化为电压信号。
• FG OECT 的制备和敏感层优化：在寻找合适的催化剂时，研究人员发现常用的 Pt 电极和传统设备 “合不来”，而普鲁士蓝（PB）虽然催化活性高，但制备时需要用到有毒的亚铁氰化钾。于是，他们把目光投向了 BBL。研究人员采用多步图案化工艺制备 FG OECT，先在 PI 薄膜上制作 Au 微电极，再依次进行胶带粘贴、电极修饰、半导体层和敏感层图案化等操作，成功制备出 FG OECT。实验发现，BBL 对检测的灵敏度最高，其开路电位（OCP）差异最大，对应的波动幅度也最大。而且，随着 FG2 电极面积增大，BBL 覆盖的 Au 电极在 PBS 和中的 OCP 差异会减小。综合考虑，研究人员选择面积为的金片，用 BBL - Nafion - 酶 - Nafion 堆叠层修饰作为 FG2，用于构建酶传感器。之后，他们按照优化参数构建不同的堆叠 FG2 结构，并对其进行层层表征。SEM 图像显示 Nafion 层、GOx 层等成功沉积，FIB - SEM 分析出各层厚度，FT - IR 光谱验证了各层成分，润湿性和电化学阻抗谱（EIS）测试也揭示了堆叠层制备过程中的变化。
• FG OECT 对典型分析物的响应：研究人员把制备好的堆叠 BBL - Nafion - 酶 - Nafion 层、Ag/AgCl 电极和半导体通道组装起来，构建 FG OECT，并制备了葡萄糖、乳酸和尿酸传感器。实验测得，葡萄糖、乳酸和尿酸的检测灵敏度分别为 92.47、152.15 和。传感器的选择性很好，对非目标代谢物和离子成分的响应微乎其微。稳定性测试表明，在五天内每天进行 5000 次脉冲测试，传感器的输出衰减较小。在不同弯曲状态下对柔性酶传感器进行电学表征发现，虽然弯曲会使传感器输出有一定衰减，但整体仍能保持较好性能。最后，研究人员将可穿戴酶传感器贴在志愿者额头进行测试，该传感器由皮肤兼容的粘合剂层、微流体通道、基于酶的 FG OECT 和医用粘合剂层组成。实验结果显示，传感器能收集汗液并检测其中的代谢物，且检测结果与文献报道相符，不过目前设备存在与外部读出设备有线连接的局限。

总的来说，这项研究成功开发了一种可穿戴酶传感器，通过用 BBL - Nafion - 酶 - Nafion 堆叠结构修饰 OECT 的浮栅，解决了传统 OECT 酶传感器存在的一些问题。BBL 比 Pt 电极和 PB 具有更好的传感灵敏度和加工兼容性，堆叠结构让酶传感器具备可穿戴性。结合多步微加工技术，研究人员实现了在柔性基板上对半导体通道、电极和堆叠结构的图案化。基于 FG OECT 的酶传感器与柔性可穿戴微流体系统集成，能够在皮肤上对汗液代谢物进行多重检测，检测灵敏度高，选择性、稳定性和恢复性良好。这一成果为可穿戴健康监测设备的发展提供了新的思路和技术支持，有望推动无创、实时健康监测的广泛应用，让人们能更方便、及时地了解自己的健康状况，为疾病预防和早期诊断提供有力帮助。但研究人员也清楚，目前设备的有线连接问题限制了它的使用场景，未来还需要进一步探索，实现无线信号传输，让这款传感器能更好地服务大众健康。