與生物燃料電池（EFC 或 MFC）耦合的 OECT 概述它們具有將電子傳遞到陽極的生物成分，例如酶或電活性細(xì)菌。圖片來源：《設(shè)備》（2025 年）。DOI：10.1016/j.device.2025.100714

在一項(xiàng)可能改變生物電子傳感領(lǐng)域的重大突破中，萊斯大學(xué)的一個跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新方法，利用有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）大幅提升酶和微生物燃料電池的靈敏度。這項(xiàng)研究近期發(fā)表于《設(shè)備》雜志。

這種創(chuàng)新方法將電信號放大了三個數(shù)量級，還提高了信噪比，這有望催生下一代高靈敏度、低功耗的生物傳感器，用于健康監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測。

“我們展示了一種簡單卻強(qiáng)大的技術(shù)，利用 OECT 放大微弱的生物電子信號，克服了以往將燃料電池與電化學(xué)傳感器集成時面臨的難題。” 該研究的通訊作者拉斐爾・維爾杜斯科說道，他是化學(xué)與生物分子工程以及材料科學(xué)與納米工程教授。“這種方法為更通用、更高效的生物傳感器開辟了道路，這些傳感器可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測，甚至可穿戴技術(shù)領(lǐng)域�！�

傳統(tǒng)生物傳感器依賴目標(biāo)生物分子與傳感器設(shè)備之間的直接相互作用，當(dāng)電解質(zhì)環(huán)境不兼容時，這種方式會存在局限性。而這項(xiàng)研究通過將燃料電池與 OECT 進(jìn)行電子耦合，而非直接將生物分子引入傳感器，從而避開了這一難題。

“生物電子傳感領(lǐng)域最大的障礙之一，就是設(shè)計出能在不同化學(xué)環(huán)境中工作且不影響性能的系統(tǒng)�！� 通訊作者卡羅琳・阿喬 - 富蘭克林表示。她是生物科學(xué)教授、萊斯合成生物學(xué)研究所所長，也是德克薩斯州癌癥預(yù)防與研究所學(xué)者。“通過將 OECT 和燃料電池分開，我們在保證兩者處于最佳工作條件的同時，還實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的信號放大功能�！�

OECT 是一種在水性環(huán)境中工作的薄膜晶體管，因其高靈敏度和低電壓運(yùn)行特性而備受關(guān)注。在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)將 OECT 與兩種生物燃料電池相結(jié)合，以提升其性能。

第一種是酶燃料電池，它利用葡萄糖脫氫酶催化葡萄糖氧化，在此過程中產(chǎn)生電能。第二種是微生物燃料電池，依靠電活性細(xì)菌代謝有機(jī)底物產(chǎn)生電流。隨后，OECT 以陰極柵極和陽極柵極這兩種不同配置與燃料電池進(jìn)行耦合。

研究人員發(fā)現(xiàn)，根據(jù)配置和燃料電池類型的不同，OECT 能夠?qū)⒚负臀⑸�物燃料電池的信號放�?1000 至 7000 倍不等。這一放大效果遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的電化學(xué)放大技術(shù)，后者通常只能將信號增強(qiáng) 10 到 100 倍。

萊斯大學(xué)研究生拉溫德拉・薩克塞納展示了一種用于測量酶和微生物燃料電池的光刻圖案 OECT 設(shè)備。圖片來源：萊斯大學(xué)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，陰極柵極配置的放大效果最佳，尤其是在使用特定聚合物作為通道材料時。陽極柵極配置雖然也有很強(qiáng)的放大能力，但在燃料電池電流較高時會帶來潛在問題，在某些情況下甚至?xí)��?dǎo)致不可逆的性能下降。

除了增強(qiáng)信號強(qiáng)度，研究人員還發(fā)現(xiàn) OECT 能降低背景噪聲，使測量結(jié)果更加精確。傳統(tǒng)傳感器常受干擾和微弱信號的困擾，而 OECT 能產(chǎn)生更清晰、更可靠的數(shù)據(jù)。

“我們觀察到，借助 OECT，即使燃料電池中發(fā)生極其微小的電化學(xué)變化，也能轉(zhuǎn)化為易于檢測的大幅電信號�！� 該研究的共同第一作者、萊斯大學(xué)斯莫利 - 庫爾研究所應(yīng)用物理項(xiàng)目的研究生拉溫德拉・薩克塞納說道�！斑@意味著我們能夠比以往更靈敏地檢測生物分子和污染物�！�

這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用前景廣闊。研究團(tuán)隊(duì)成功在單塊載玻片上展示了該系統(tǒng)的小型化版本，證明這項(xiàng)技術(shù)具有可擴(kuò)展性，可用于便攜式生物傳感器。

其中最具前景的應(yīng)用之一是亞砷酸鹽檢測，這在水安全領(lǐng)域至關(guān)重要。該團(tuán)隊(duì)通過基因工程改造大腸桿菌，使其具備亞砷酸鹽響應(yīng)性細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移途徑，借助 OECT 放大的信號，能清晰、準(zhǔn)確地檢測出低至每升 0.1 微摩爾濃度的亞砷酸鹽。

除環(huán)境應(yīng)用外，該系統(tǒng)還有望徹底改變可穿戴健康監(jiān)測領(lǐng)域，因?yàn)樵擃I(lǐng)域?qū)��?jié)能且高靈敏度的生物傳感器需求極大。例如，利用微生物燃料電池成功實(shí)現(xiàn)了對汗液中乳酸的檢測，而乳酸是肌肉疲勞的一項(xiàng)指標(biāo)。

“運(yùn)動員、患者，甚至士兵都能從實(shí)時代謝監(jiān)測中受益，且無需依賴復(fù)雜的高功率電子設(shè)備�！� 共同第一作者、生物科學(xué)系博士后張旭表示。

研究人員強(qiáng)調(diào)，了解 OECT 和燃料電池之間的功率動態(tài)關(guān)系是優(yōu)化傳感器性能的關(guān)鍵，他們識別出兩種不同的運(yùn)行模式。在功率失配模式下，燃料電池產(chǎn)生的功率低于 OECT 所需功率，雖然靈敏度較高，但運(yùn)行狀態(tài)更接近短路。相比之下，當(dāng)燃料電池產(chǎn)生的功率足以驅(qū)動 OECT 時，就會進(jìn)入功率匹配模式，此時讀數(shù)更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確。

“通過對這些相互作用進(jìn)行微調(diào)，我們能夠針對不同應(yīng)用設(shè)計專用傳感器，從高靈敏度的醫(yī)學(xué)診斷到堅(jiān)固耐用的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備都可實(shí)現(xiàn)�！� 維爾杜斯科說，“我們相信這種方法將改變我們對生物電子傳感的認(rèn)知。這是一種簡單、有效且可擴(kuò)展的解決方案�！�

更多信息：拉溫德拉・薩克塞納等人，《使用有機(jī)電化學(xué)晶體管放大酶和微生物燃料電池》，《設(shè)備》（2025 年）。DOI：10.1016/j.device.2025.100714