有机电化学晶体管：酶和微生物燃料电池信号放大的新钥匙

为解决微生物和酶燃料电池电流低、信号检测受限问题，美国莱斯大学（Rice University）研究人员开展将有机电化学晶体管（OECTs）与酶燃料电池（EFC）或微生物燃料电池（MFC）耦合的研究，发现该方法可放大电流、提高信噪比，有助于开发生物电子传感器。

　　在科技飞速发展的今天，生物学与微电子设备之间的联系愈发紧密，电子作为信息和能量的载体，在两者中都扮演着关键角色。微生物和酶燃料电池（EFC 和 MFC）能够将生物化学反应转化为电能，在生物传感、能源等领域有着巨大的应用潜力。然而，它们就像被束缚的 “小宇宙”，存在着一些亟待解决的问题。微生物产生的电流十分微弱，如同潺潺细流，难以满足高效检测和实际应用的需求；而且微生物和酶的最佳生存环境与微电子设备的运行环境常常 “水火不容”，这使得两者之间的电子通信困难重重，限制了相关技术的发展。

为了突破这些困境，来自美国莱斯大学（Rice University）等机构的研究人员踏上了探索之旅，开展了一项极具意义的研究。他们将目光聚焦在有机电化学晶体管（OECTs）上，试图通过将 OECTs 与 EFC 或 MFC 耦合，找到解锁这些 “小宇宙” 强大能量的钥匙。经过不懈努力，研究取得了令人瞩目的成果，相关成果为生物电子传感器的发展开辟了新道路。

在这场科研探索中，研究人员运用了多种关键技术方法。在器件制备方面，OECTs 采用标准的洁净室技术，通过光刻、蚀刻等一系列精细操作来构建；EFC 和 MFC 则根据各自的特点，精心选择电极材料和电解质，搭建特定的反应腔体。在性能测试时，利用专业的电化学工作站和测量仪器，对不同耦合配置下的电流、电位等参数进行精确测量和分析，从而获取关键数据，为后续研究提供有力支撑 。

研究人员首先关注的是 EFC 与 OECTs 的耦合。他们构建了标准 H 型的 EFC，在阳极室使用修饰有葡萄糖脱氢酶（GDH）的碳纸电极，阴极室则采用铂网电极，中间用质子交换膜隔开。OECTs 的源极和漏极由金 / 钛制成，通道涂覆着聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS），并以 AgCl 线作为栅电极。当 EFC 阳极室加入葡萄糖后，GDH 催化葡萄糖氧化，引起 EFC 电位变化。研究发现，将 OECTs 与 EFC 以阴极栅配置耦合时，EFC 电位的微小变化能在 OECTs 的源漏电流（）上产生显著变化。例如，加入 5 mM 葡萄糖时，EFC 阴极电位从 295 mV 变为 290 mV，OECTs 的下降了 32 μA；增加葡萄糖浓度至 50 mM，阴极电位进一步变为 189 mV，下降 730 μA。通过计算，OECTs 对 EFC 信号的放大倍数可达三个数量级，且信噪比（SNR）得到明显改善，噪声因子大于 1。在阳极栅配置下，虽然也能实现信号放大，但效果不如阴极栅配置，并且高燃料电池电流可能会损坏 OECTs。

随后，研究人员将目光转向更为复杂的 MFC 与 OECTs 的耦合系统。MFC 以希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）作为产电微生物，在阳极氧化乳酸产生电子。当 MFC 阴极与 OECTs 栅极相连时，向 MFC 阳极室加入乳酸，细菌氧化乳酸产生的电子使 OECTs 栅极电位升高，进而引起变化。不同浓度的乳酸会导致不同程度的电位和电流变化，如加入 30 mM 乳酸时，栅极电位从 0.06 V 升高到 82 mV，从 2.4 μA 变为 2.3 μA；当乳酸浓度达到 1.19 mM 时，栅极电位升至 584 mV，变为 60 μA 。经计算，该系统的电流放大倍数约为 6000 - 7000，噪声因子大于 1，充分证明 OECTs 能够有效放大 MFC 的响应并提高信噪比。不过，在阳极栅配置下，高浓度乳酸会使 MFC 阳极向 OECTs 栅极提供过大电流，导致 OECTs 通道电流不可逆下降，造成器件损坏。

研究人员还发现，EFC - OECT 和 MFC - OECT 系统的运行模式与功率输出密切相关。通过测量极化曲线，对比 EFC、MFC 的功率输出和 OECTs 调制电位所需的功率，发现 EFC 产生的功率低于 OECTs 需求，此时处于功率失配模式，EFC 在短路状态下运行，阴极电位会降至 AgCl 栅极的氧化还原电位；而 MFC 产生的功率高于 OECTs 需求，处于功率匹配模式，燃料电池和栅极电位接近燃料电池的开路电位（OCP） 。这一发现表明，根据器件的相对功率输出，可以设计出不同功能的传感器，以满足特定应用的需求。

为了验证这种耦合系统在实际应用中的可行性，研究人员进一步制作了集成微型 MFC - OECT 设备。该设备直接在玻璃片上通过激光切割电极图案制备而成，体积小巧。当向微型 MFC 中加入不同浓度的乳酸时，OECTs 的会在毫安级范围内变化，相较于微型 MFC 产生的微安级电流，放大效果显著。此外，研究人员还利用该模块化系统开发了一种能检测砷的集成 MFC - OECT 传感器。他们使用经过基因工程改造的大肠杆菌，这种细菌在砷存在时会产生电流。实验结果显示，随着砷浓度增加，MFC 阴极电位下降，OECTs 的相应调制，对 0.1 mM 和 0.5 mM 砷的电流放大倍数分别达到 400 和 200，成功实现了对砷的检测。

在结论和讨论部分，研究人员总结了利用 OECTs 与 EFC 或 MFC 耦合构建氧化还原活性模块化生物传感器的基本设计规则。不同的耦合配置会对 PEDOT:PSS 聚合物通道产生不同的掺杂效果，进而影响信号放大。OECTs 不仅能大幅放大 EFC 和 MFC 的电流响应，还能提高信噪比。通过研究不同系统，确定了功率输出是影响传感器功能的关键参数，根据功率匹配或失配情况可设计出不同特性的传感器。集成微型设备和砷检测传感器的成功制备，进一步展示了这种耦合系统在实际应用中的潜力。

这项研究意义重大，为生物电子传感器的发展提供了一种通用方法。通过将 OECTs 与 EFC、MFC 有效耦合，成功放大了信号、改善了信号质量，有望推动生物传感技术在环境监测、医疗诊断等领域的广泛应用，让人们能够更精准、高效地检测各种生物和化学物质，为生命科学和健康医学领域的发展注入新的活力。