基于有机薄膜晶体管生物传感器的传感界面工程：机遇与挑战

个性化健康信息的监测和收集严重依赖于各种便携式健康监测传感器，这些传感器可以将所接收到的生物、化学或物理信号转换成可读的电信号和/或其他形式的信号。有机薄膜晶体管因其易于制备、生物相容性好、固有的信号放大功能等优势，可实现对目标分析物快速免标记的高灵敏度检测，同时由于有机半导体材料的合成自由度、可裁剪性和功能化修饰且可与柔性基底相结合，使其成为生物传感的理想平台之一。然而，有机薄膜晶体管生物传感器在应对生物敏感探针固定过程中会面临意外的表面吸附、无序的构象、不均匀的嫁接密度和探针分子的灵活性等现象上仍面临重大挑战。

为应对以上挑战，天津大学胡文平团队程姗姗、朱伟钢等人最近在Advanced Materials 上就这一领域发表综述，从界面工程领域出发，全面、及时地评述了传感界面上生物传感探针的高效固定如何促进基于有机薄膜晶体管高性能生物传感器的开发。

图1. 基于界面工程领域为实现高性能有机薄膜晶体管生物传感器的开发开辟了新的道路。

为了满足对生物分析物的特定检测需求，选择合适的传感层是至关重要的。其中，有机半导体层、栅电极或电解质层通常被作为有机薄膜晶体管生物传感器的传感层。将高亲和力生物敏感探针固定在传感层上，同时保留活跃的配置和方向是获得高性能生物传感器最关键的一步。为了实现高性能生物传感器，通常需要对有机薄膜晶体管进行功能化。有机半导体层经常被生物敏感探针功能化，以专门与分析物互动，通过电荷掺杂和捕获等可能的传感机制诱发器件参数变化。栅电极通常与沟道区域隔离，栅极上的表面修饰不会影响沟道性能。因此，为了避免半导体层被降解延长栅作为传感层是一种常用的方法。此外，电解质层作为传感层也是避免半导体层被降解导致器件性能降低的另外一种方法。不同的传感层都具有其各自的优劣势，在不同的场景下发挥其各自的作用。

图2. 基于半导体层传感的有机薄膜晶体管生物传感器。

图3. 基于栅电极传感的有机薄膜晶体管生物传感器。

图4. 基于介电层传感的有机薄膜晶体管生物传感器。

除了生物传感层外，生物敏感探针在生物传感中也起着至关重要的作用，因为它们能够识别目标分析物，还能通过特异性和敏感性决定传感器的效果。此外，生物敏感探针的稳定性强烈影响着生物传感器的结合亲和力和性能。无论目标分析物是什么，生物传感都需要谨慎选择生物敏感探针：一般来说，作为探针应同时具有能够与传感层和分析物均稳定结合的能力，并尽量减少与周围环境或干扰分子的相互作用。因此，为了有效地检测目标分析物，选择与之具有高亲和力的生物敏感探针是获得高性能生物传感器至关重要的一步。

图5. 以抗体作为生物传感探针的有机薄膜晶体管生物传感器。

图6. 以酶作为生物传感探针的有机薄膜晶体管生物传感器。

图7. 以核酸作为生物传感探针的有机薄膜晶体管生物传感器。

图8. 以适配体/分子印迹聚合物作为生物传感探针的有机薄膜晶体管生物传感器。

选好合适的生物传感层和生物敏感探针之后，就需要选择恰当的固定方法将两者有机的结合在一起，从而实现器件的高性能。一般来说，生物敏感探针可以通过非共价或共价相互作用来固定，这取决于被适当功能化的传感表面上所具有的官能团。非共价相互作用可以在相对较短的时间内通过直接吸附（如范德华力、氢键、疏水力和离子相互作用）将探针固定在传感表面上。但所固定的探针取向随机，器件具有非特异性信号大、化学不稳定、可重复性低和耐久性差的问题。相比之下，通过表面功能化利用共价相互作用将探针固定在传感层上，所制备的器件在传感环境（如pH值、温度和离子强度）的变化中提供良好的稳定性。然而共价相互作用常常导致在传感表面形成化学缺陷，可能会降低传感材料的电学性能。因此，选择合适的固定方法将生物敏感探针能够均匀且高密度的固定在传感表面上对获得高性能有机薄膜晶体管生物传感器是至关重要的。

图9. 基有机薄膜晶体管生物传感器的探针固定方法。

基于无标签的有机薄膜晶体管生物传感器在实现了高性能开发的基础上正在逐步的走向实际应用的进程中。虽然基于有机薄膜晶体管的生物传感器已经实现了临床样本的检测，但目前大多数还依赖设备齐全的实验室或高度复杂的分析技术，距离实现远程医疗实现高效的护理点或家庭护理诊断目标还有一定的距离。

图10. 用于生物检测的高性能有机场效应晶体管生物传感器。

图11. 基于有机薄膜晶体管生物传感器的实际应用。

对于当今的大数据和数字化时代来说，高性能便携式传感器对于个性化健康信息的监测和收集变得不可或缺。因此，开发能够在大范围内获取准确可靠数据的传感器至关重要。最后，该综述还揭示了这一领域的前景和挑战，为深入了解这一领域提供了宝贵的资源。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Sensing Interfaces Engineering for Organic Thin Film Transistors-Based Biosensors: Opportunities and Challenges

Siyu Li, Yuchen Duan, Weigang Zhu, * Shanshan Cheng * and Wenping Hu

Adv. Mater. 2024, DOI: 10.1002/adma.202412379

研究团队简介

李斯宇，天津大学理学院化学专业硕士研究生，师从程姗姗副教授和朱伟钢副教授，研究方向为有机场效应晶体管传感器的构筑及其在疾病诊断中的应用。主要研究了有机场效应晶体管传感器的优化策略和传感界面的功能化方法。

朱伟钢，天津大学英才副教授、特聘研究员、博士生导师。电子科技大学微电子与固体电子学院工学学士，中国科学院化学研究所理学博士，美国西北大学化学系博士后，师从世界著名化学家Tobin J. Marks教授，2020年通过国家高层次人才引进计划加盟天津大学，长期从事光电有机高分子复合材料研究工作，近年来聚焦有机短波红外探测方向，在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.等期刊发表论文多篇，研究成果受到诺贝尔奖得主及中、美、英、德等国院士和同行们的正面引用评价，获得天津市自然科学奖特等奖（第9完成人）、英国皇家化学会JMCA期刊新锐科学家等荣誉，担任National Science Open、Information＆Functional Materials等期刊青年编委。

程姗姗，所属天津大学理学院，有机集成电路教育部重点实验室，副教授，博士生导师。公派留学日本，获得经济学、文学双学士，工学硕士及博士（早稻田大学）。长期致力于分析化学、生物电子学的全英文教学及实验与理论研究工作，专长为场效应器件及其生物传感应用的研究。近年来开发了多种可用于生物分子识别的有机场效应器件，并发展了其在癌症等疾病早筛中的应用。

https://www.x-mol.com/university/faculty/64284