有機電化學(xué)晶體管（OECT）因其低工作電壓、高信號放大能力和生物相容性，在便攜式生物傳感器領(lǐng)域極具潛力。然而，傳統(tǒng)OECT的致密活性層嚴重限制了離子滲透與傳輸效率，導(dǎo)致跨導(dǎo)和靈敏度不足。當(dāng)前，開發(fā)兼具高靈敏度、高選擇性且能檢測痕量生物分子的便攜設(shè)備，仍是疾病早期預(yù)警和精準醫(yī)療的重大挑戰(zhàn)。

受人體嗅覺系統(tǒng)中定向離子通道的啟發(fā)，同濟大學(xué)黃佳教授、徐洋教授、祖國慶助理教授合作團隊通過液晶模板策略，首次開發(fā)出定向納米通道半導(dǎo)體氣凝膠及氣凝膠基OECT。其中垂直納米通道結(jié)構(gòu)顯著提升了離子傳輸效率，使跨導(dǎo)高達118.5 mS，較同類尺寸OECT提升4-10倍?；诖说奈⒘骺厣飩鞲衅飨到y(tǒng)對尿酸（UA）、免疫球蛋白G（IgG）和DNA的檢測限分別達1 pM、0.01 fg mL?1和0.1 pM，比傳統(tǒng)器件低1-3個數(shù)量級，可實時檢測尿液、血清等體液中的痕量生物標志物。

圖1 展示了仿生設(shè)計理念：人體嗅覺神經(jīng)元通過垂直排列的離子通道實現(xiàn)高效跨膜傳輸（圖1A），團隊據(jù)此設(shè)計垂直納米通道氣凝膠活性層（圖1B），優(yōu)化離子擴散路徑。圖2揭示了材料制備與結(jié)構(gòu)：液晶單體RM257在取向?qū)樱ň埘啺坊駾MOAP）引導(dǎo)下形成水平或垂直排列的模板，經(jīng)紫外光聚合和凍干后獲得納米通道氣凝膠（圖2A）。半導(dǎo)體聚合物（如p(g2T-T)）沉積于模板中形成氣凝膠薄膜（圖2B），其垂直通道（孔徑20–200 nm）在偏光顯微鏡下呈各向異性（圖2C），掃描電鏡清晰顯示孔道垂直于膜表面（圖2D-E）。氮吸附測試證實其高比表面積（163.8 m2 g?1）和貫通孔結(jié)構(gòu)（圖2F）。

圖1仿生定向納米通道半導(dǎo)體氣凝膠OECT的設(shè)計：（A）人體嗅覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作機制；（B）致密、隨機多孔與定向多孔OECT的結(jié)構(gòu)及離子滲透/傳輸示意圖（黃色為聚合物骨架，藍色為半導(dǎo)體涂層）。

圖2定向納米通道半導(dǎo)體氣凝膠及OECT的制備與微觀結(jié)構(gòu)：（A）氣凝膠基OECT制備流程；（B）水平/垂直納米通道氣凝膠薄膜照片；（C）偏光顯微圖像（插圖為錐光圖）；（D）截面與（E）表面掃描電鏡圖像；（F）氮氣吸附-脫附曲線及孔徑分布。

圖3驗證了電學(xué)性能：垂直通道OECT（SP1-V）的跨導(dǎo)（118.5 mS）和μC?（16.8 mF V?1 s?1）遠超致密器件（圖3B-G）。離子傳輸模擬表明，垂直結(jié)構(gòu)因提供短而連續(xù)的離子路徑（圖3K），5秒內(nèi)離子濃度較隨機孔結(jié)構(gòu)高200%，亞甲藍擴散實驗進一步證實其質(zhì)量傳輸優(yōu)勢（圖3L）。器件穩(wěn)定性優(yōu)異（>6500次循環(huán)，圖3I），跨導(dǎo)性能領(lǐng)跑同類研究（圖3J）。

圖3氣凝膠基OECT的電學(xué)性能：（A）共面柵結(jié)構(gòu)示意圖；（B-F）不同活性層的轉(zhuǎn)移曲線與跨導(dǎo)曲線；（G）峰值跨導(dǎo)對比；（H）μC?值對比；（I）SP1-V器件的循環(huán)穩(wěn)定性；（J）與已報道器件的性能對比；（K）離子濃度分布模擬；（L）亞甲藍在不同薄膜中的擴散實驗。

圖4展示了傳感應(yīng)用：垂直通道OECT功能化后，對UA（尿酸酶修飾電極）、IgG（抗體修飾）和DNA（ssDNA探針）均實現(xiàn)超靈敏檢測（圖4A-C）。UA傳感器檢測限低至1 pM（圖4D-E），且抗干擾性強（圖4F）；IgG和DNA傳感器的檢測限分別達0.01 fg mL?1（圖4G-H）和0.1 pM（圖4J-K），選擇性顯著（圖4I,L）。其性能超越現(xiàn)有晶體管傳感器和商用設(shè)備（圖4M-O）。

圖4垂直通道氣凝膠OECT生物傳感器的性能：（A-C）UA/IgG/DNA檢測機制；（D,G,J）不同濃度分析物下的轉(zhuǎn)移曲線；（E,H,K）電壓偏移與濃度的關(guān)系；（F,I,L）選擇性測試；（M-O）與現(xiàn)有技術(shù)的檢測限對比。

圖5聚焦系統(tǒng)集成：多通道微流控系統(tǒng)同步檢測UA/IgG/DNA（圖5A-D），在尿液和血清中成功追蹤運動后UA上升（圖5F）及痕量IgG/DNA（圖5G-H）。檢測限優(yōu)于家用試紙、ELISA試劑盒等（圖5I-K）。無線藍牙模塊集成（圖5L）實現(xiàn)了心衰標志物NT-proBNP的實時監(jiān)測（檢測限0.1 pg mL?1，圖5N），數(shù)據(jù)可通過手機傳輸。

圖5氣凝膠傳感器的應(yīng)用：（A）多通道微流控系統(tǒng)示意圖；（B-D）對UA/IgG/DNA的響應(yīng)；（E）實時電流響應(yīng)；（F）運動前后尿液UA檢測；（G-H）血清中IgG/DNA檢測；（I-K）檢測限對比；（L）無線傳感器系統(tǒng)；（M）NT-proBNP受體修飾示意圖；（N）實時響應(yīng)曲線。

未來展望

該研究證實垂直納米通道氣凝膠可顯著優(yōu)化離子傳輸路徑，為OECT帶來超高跨導(dǎo)與靈敏度。未來團隊將優(yōu)化分子識別策略與器件架構(gòu)，進一步提升復(fù)雜生物環(huán)境中的傳感性能。這一平臺有望推動健康監(jiān)測與疾病診斷技術(shù)的革新。

來源：高分子科學(xué)前沿