有机电化学晶体管（OECT）是一种薄膜有机电子器件，已被用于多种传感和监测应用，例如检测离子、蛋白质、代谢物和病毒等。这些传感应用利用了OECT的多功能性和灵敏度。OECT是结合了离子和电子传输的晶体管器件，由栅极、源极、漏极和有机半导体薄膜组成。聚合物通道在OECT中起着关键作用，通过离子掺杂和去掺杂过程调节电导率。这种机制使得OECT能够在低电压下高效工作，并将离子信号转化为电子信号，适用于生物电子学和传感器等领域。OECT还可以在低成本、柔性衬底上制造，使其在健康和环境应用中备受关注。
据麦姆斯咨询介绍，美国莱斯大学（Rice University）的一支跨学科研究小组开发出一种利用OECT大幅提高酶和微生物燃料电池灵敏度的创新方法，这是一项有望改变生物电子传感技术的重大突破。这项研究成果已经以“Amplification of enzymatic and microbial fuel cells using organic electrochemical transistors”为题发表于近期的Device杂志。
这种创新方法将电信号放大了三个数量级，并提高了信噪比，有望实现面向健康和环境监测应用的下一代高灵敏度、低功耗生物传感器。
与生物燃料电池（EFC或MFC）耦合的OECT。生物燃料电池包含生物成分，如酶或电活性细菌，可将电子输送到阳极。
论文通讯作者、莱斯大学化学与生物分子工程以及材料科学与纳米工程学教授Rafael Verduzco说：“我们展示了一种简单而强大的技术，可以利用OECT放大微弱的生物电子信号，克服了以往将燃料电池与电化学传感器集成的难题。这种方法打开了通向更多功能和更高效生物传感器的大门，可应用于医学、环境监测甚至可穿戴技术领域。”
传统的生物传感器依赖于目标生物分子与传感器之间的直接相互作用，当电解质环境不相容时，就会造成限制。这项研究通过将燃料电池与OECT进行电子耦合，而不是将生物分子直接引入传感器，从而规避了这一挑战。
“生物电子传感领域最大的障碍之一，是设计能在不同化学环境中工作而不影响性能的系统。”该论文通讯作者、生物科学教授Caroline Ajo-Franklin说，“我们通过保持OECT和燃料电池分立，确保两个组件的最佳工作条件，同时还实现了强大的信号放大功能。”
OECT是一种能在水环境中工作的薄膜晶体管，因其高灵敏度和低电压工作而备受关注。在这项研究中，研究小组将OECT与两种生物燃料电池集成，以提高其性能。
第一种是酶燃料电池，利用葡萄糖脱氢酶催化葡萄糖氧化，在此过程中产生电能。第二种是微生物燃料电池，依靠电活性细菌代谢有机底物而产生电流。然后，将OECT以两种不同的配置与燃料电池耦合：阴极-栅极配置和阳极-栅极配置。
阴极-栅极配置中的OECT-EFC放大信号和信噪比（SNR）
研究人员发现，OECT可以放大来自酶和微生物燃料电池的信号，放大倍数从1000到7000不等，具体取决于配置和燃料电池类型。这种放大效果明显高于传统的电化学放大技术，后者通常仅能将信号放大10到100倍。
用于酶和微生物燃料电池测量的光刻图案化OECT器件
研究小组发现，阴极-栅极配置可提供最佳放大效果，尤其是在使用特定聚合物作为通道材料的情况下。阳极-栅极配置也显示出很强的放大效果，但在燃料电池电流较高的情况下会带来潜在的挑战，在某些情况下会导致不可逆的退化。
研究人员发现，除了增强信号强度，OECT还能减少背景噪音，使测量更加精确。传统的传感器会受到干扰和信号微弱的影响，但OECT能生成更清晰、更可靠的数据。
这项研究的共同第一作者、莱斯大学斯马利克尔研究所应用物理学专业的研究生Ravindra Saxena说：“我们观察到，燃料电池中即使是微小的电化学变化，也能通过OECT转化为巨大的、易于检测的电信号。这意味着我们可以比以前更灵敏地检测到生物分子和污染物。”
这项技术在现实世界中的应用非常广泛，研究小组成功地在一块玻璃片上演示了该系统的微型化版本，证明了这项技术具有可扩展性，可用于便携式生物传感器。
最有前景的应用之一是亚砷酸盐检测，这是水质安全的关键需求。研究小组设计了具有亚砷酸盐响应的细胞外电子传递途径的大肠杆菌，使它们能够检测浓度低至0.1微摩尔/升的亚砷酸盐，并从OECT放大信号中获得清晰、可测量的响应。
集成MFC-OECT器件以及在工程大肠杆菌亚砷酸盐检测中的应用
除了环境应用，该系统还有望变革可穿戴健康监测，该应用对高能效、高灵敏度生物传感器有着很高的需求。例如，已利用微生物燃料电池成功演示了汗液中的乳酸感应，这是肌肉疲劳的指标之一。
该论文共同第一作者、生物科学系博士后Xu Zhang说：“运动员、病人甚至士兵都能受益于实时代谢监测，不再需要复杂的大功率电子设备。”
研究人员强调，了解OECT和燃料电池之间的功率动态是优化传感器性能的关键，他们确定了两种不同的工作模式。在功率不匹配模式下，燃料电池产生的功率小于OECT所需的功率，因此灵敏度较高，但工作时更接近短路条件。与此相反，在功率匹配模式下，燃料电池产生的功率足以驱动OECT，从而获得更稳定、更准确的读数。
Verduzco说：“通过对这些相互作用进行微调，我们可以设计出适合不同应用的传感器，从高灵敏度的医疗诊断到坚固耐用的环境监测传感器等。我们相信，该创新方法将改变我们对生物电子传感的思路，这是一种简单、高效且可扩展的解决方案。”
论文信息：
DOI: 10.1016/j.device.2025.100714延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《可穿戴传感器技术及市场-2025版》
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