斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊(duì)Science Advances: 應(yīng)用QSense QCM-D驗(yàn)證適配體在可拉伸聚合物半導(dǎo)體表面的原位接枝，構(gòu)建皮膚型晶體管生物傳感器
研究背景：柔性晶體管要真正“生物可感”，難點(diǎn)在界面
柔性可穿戴電子正在從“記錄信號(hào)”走向“理解身體”。過(guò)去幾年，基于有機(jī)材料的皮膚電子器件已經(jīng)能夠貼合皮膚、組織甚至器官表面，實(shí)時(shí)采集壓力、溫度、電生理等生物物理信號(hào)。然而，要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)汗液、唾液或組織液中生物標(biāo)志物的連續(xù)監(jiān)測(cè)，僅有柔軟和可拉伸還不夠，器件表面必須能夠穩(wěn)定、選擇性地識(shí)別目標(biāo)分子。
近期，斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊(duì)在Science Advances發(fā)表題為“Biofunctionalized polymer semiconductors toward soft and stretchable transistor-based biosensors”的研究論文。該工作提出了一種面向聚合物半導(dǎo)體的直接生物功能化策略：通過(guò)硫醇-烯點(diǎn)擊反應(yīng)，將硫醇化適配體共價(jià)接枝到半導(dǎo)體/彈性體互穿網(wǎng)絡(luò)中的彈性體區(qū)域，在盡量不破壞半導(dǎo)體電荷傳輸通道的前提下，引入可識(shí)別生物分子的功能界面。基于這一材料設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了柔軟、可拉伸的電解質(zhì)柵有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（EG-OFET）生物傳感器，并實(shí)現(xiàn)了皮摩爾水平的皮質(zhì)醇檢測(cè)。
有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET）是柔性生物電子器件中的重要構(gòu)筑單元。相比簡(jiǎn)單電極，晶體管器件可以對(duì)界面附近的電荷、電勢(shì)變化進(jìn)行放大，因此非常適合用于低濃度生物標(biāo)志物檢測(cè)。但在實(shí)際應(yīng)用中，OFET從物理信號(hào)檢測(cè)走向化學(xué)/生物分子檢測(cè)時(shí)，會(huì)遇到一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如何把抗體、酶、適配體等生物識(shí)別分子穩(wěn)定地固定在半導(dǎo)體通道附近？
常見(jiàn)的物理吸附方式雖然操作簡(jiǎn)單，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足，識(shí)別分子容易在緩沖液或汗液中脫附，引起器件漂移。直接對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體進(jìn)行共價(jià)修飾也并不容易，因?yàn)樵S多高性能有機(jī)半導(dǎo)體缺乏可反應(yīng)官能團(tuán)；如果使用等離子體等強(qiáng)處理方法，又可能在半導(dǎo)體表面引入陷阱態(tài)，損害載流子遷移率和器件穩(wěn)定性。因此，研究需要一種“既穩(wěn)定、又溫和、還不傷半導(dǎo)體”的生物功能化方法。
圖1 研究平臺(tái)示意：通過(guò)硫醇-烯反應(yīng)將適配體共價(jià)接枝到DPPTT/BA半導(dǎo)體-彈性體網(wǎng)絡(luò)，并用于柔性、可拉伸的電解質(zhì)柵OFET生物傳感器。
研究方法：在DPPTT/BA網(wǎng)絡(luò)中選擇性接枝適配體
這篇論文的材料設(shè)計(jì)思路很巧妙：不要直接改造承擔(dān)電荷傳輸?shù)陌雽?dǎo)體主鏈，而是利用聚合物半導(dǎo)體/彈性體相分離網(wǎng)絡(luò)中的彈性體區(qū)域作為反應(yīng)位點(diǎn)。這樣，生物識(shí)別分子可以被固定在半導(dǎo)體附近，仍能通過(guò)局部電勢(shì)變化影響晶體管通道；同時(shí)，半導(dǎo)體本身盡量保持化學(xué)惰性和電子性能。
作者選擇了聚噻吩-二酮吡咯并吡咯類聚合物半導(dǎo)體DPPTT作為電荷傳輸材料，并引入含有反應(yīng)性C=C鍵的聚丁二烯交聯(lián)劑BA，構(gòu)筑DPPTT/BA半導(dǎo)體-彈性體互穿網(wǎng)絡(luò)。DPPTT負(fù)責(zé)電荷傳輸，BA提供柔性、可拉伸性，同時(shí)也提供可用于硫醇-烯反應(yīng)的化學(xué)位點(diǎn)。
在功能化過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)使用硫醇化適配體作為生物識(shí)別單元。在紫外光和光引發(fā)劑作用下，適配體末端的硫醇基與BA中的C=C鍵發(fā)生點(diǎn)擊反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)共價(jià)接枝。由于DPPTT本身不參與反應(yīng)，功能化主要發(fā)生在彈性體相中，從而避免對(duì)半導(dǎo)體骨架進(jìn)行直接化學(xué)改造。
為了證明這一策略確實(shí)可行，作者使用了多種表征手段：熒光標(biāo)記適配體用于觀察接枝是否發(fā)生；QSense QCM-D用于原位跟蹤適配體接枝過(guò)程中表面質(zhì)量變化；接觸角測(cè)試用于觀察表面親水性變化；AFM納米力學(xué)成像用于分析功能化前后膜的形貌、模量與黏附力變化；隨后再通過(guò)OFET和EG-OFET器件測(cè)試，驗(yàn)證功能化后半導(dǎo)體薄膜是否仍具備可用的電學(xué)性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
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項(xiàng)目 |
關(guān)鍵信息 |
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材料策略 |
DPPTT/BA半導(dǎo)體-彈性體互穿網(wǎng)絡(luò)；適配體選擇性接枝到BA彈性體相 |
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QCM-D結(jié)果 |
UV + 硫醇化適配體條件下，沖洗回PBS后頻率穩(wěn)定下降約6 Hz，對(duì)應(yīng)約0.047 aptamers/nm² |
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器件穩(wěn)定性 |
功能化OFET在緩沖液中48天遷移率無(wú)顯著下降；EG-OFET在緩沖液中穩(wěn)定運(yùn)行約50天 |
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機(jī)械性能 |
柔性EG-OFET在最高50%應(yīng)變下保持可工作狀態(tài) |
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檢測(cè)性能 |
皮質(zhì)醇檢測(cè)范圍1 pM-1 μM，LOD低于1 pM，最大響應(yīng)50.57 mV |
QSense QCM-D在本文中的作用：給“共價(jià)接枝是否發(fā)生”提供原位、定量證據(jù)
在這篇文章中，QSense QCM-D并不是用于最終的皮質(zhì)醇檢測(cè)，而是作為材料界面功能化過(guò)程中的關(guān)鍵驗(yàn)證工具。作者將DPPTT/BA薄膜旋涂到金表面石英晶體傳感器上，并在流通池中依次引入PBS緩沖液、適配體溶液和紫外光條件，通過(guò)實(shí)時(shí)頻率變化觀察適配體是否真正固定在薄膜表面。
圖2 QSense QCM-D原位監(jiān)測(cè)硫醇化適配體在DPPTT/BA薄膜表面的接枝過(guò)程。僅有PBS或僅有適配體但無(wú)UV照射時(shí)，頻率變化很小；當(dāng)“適配體+UV”同時(shí)存在時(shí)，沖洗回PBS后仍出現(xiàn)約6 Hz的穩(wěn)定頻率下降，對(duì)應(yīng)約0.047 aptamers/nm²的表面接枝密度。
這一組數(shù)據(jù)對(duì)于全文邏輯非常重要。熒光圖像可以直觀看到適配體是否存在，但QSense QCM-D進(jìn)一步回答了兩個(gè)更關(guān)鍵的問(wèn)題：第一，適配體是否在液相環(huán)境中穩(wěn)定留在表面；第二，功能化過(guò)程能否被實(shí)時(shí)、定量地監(jiān)測(cè)。文中對(duì)照實(shí)驗(yàn)顯示，單獨(dú)UV照射或無(wú)UV條件下通入適配體，最終頻率變化都很小；只有在UV和硫醇化適配體同時(shí)存在時(shí)，才出現(xiàn)不可逆的頻率下降。這使作者能夠排除單純物理吸附的可能性，并把表面質(zhì)量增加與共價(jià)接枝過(guò)程關(guān)聯(lián)起來(lái)。
從方法學(xué)角度看，QCM-D在這里承擔(dān)了“界面反應(yīng)驗(yàn)證”的角色。對(duì)于軟材料、生物識(shí)別分子和半導(dǎo)體薄膜組成的復(fù)雜體系來(lái)說(shuō)，很多宏觀電學(xué)響應(yīng)并不能直接說(shuō)明分子是否穩(wěn)定接枝。QSense QCM-D通過(guò)對(duì)納克級(jí)質(zhì)量變化的實(shí)時(shí)追蹤，為后續(xù)器件性能解釋提供了更扎實(shí)的材料證據(jù)：適配體確實(shí)被固定到半導(dǎo)體/彈性體網(wǎng)絡(luò)表面，而且接枝密度處于與已有電化學(xué)適配體傳感器相近的水平。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：從分子接枝到皮膚型傳感器
首先，熒光光譜證實(shí)適配體選擇性接枝在DPPTT/BA薄膜上。作者使用Alexa Fluor 647標(biāo)記的硫醇化適配體處理不同薄膜，結(jié)果顯示，交聯(lián)DPPTT/BA薄膜出現(xiàn)明顯的約700 nm發(fā)射峰，而純DPPTT薄膜基本沒(méi)有信號(hào)。這說(shuō)明適配體接枝主要發(fā)生在含有反應(yīng)性C=C鍵的彈性體組分中，而不是半導(dǎo)體DPPTT本身。
其次，該方法具備高分辨圖案化能力。由于反應(yīng)由紫外光觸發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)可以利用光掩膜實(shí)現(xiàn)適配體圖案化，圖案特征尺寸可低至10 μm。這一點(diǎn)對(duì)于未來(lái)多通道、多指標(biāo)檢測(cè)很有價(jià)值，因?yàn)槿嵝陨飩鞲衅魍枰谟邢廾娣e內(nèi)集成多個(gè)識(shí)別區(qū)域。
圖3 適配體功能化OFET的電學(xué)性能與緩沖液穩(wěn)定性。功能化后的DPPTT/BA薄膜仍保持可用的晶體管性能，并在長(zhǎng)時(shí)間緩沖液浸泡后維持較穩(wěn)定的開(kāi)態(tài)電流和遷移率。
在電學(xué)性能方面，功能化并未嚴(yán)重破壞OFET工作。適配體功能化后的DPPTT/BA薄膜仍保持約10?的開(kāi)關(guān)比，平均遷移率為0.66 ± 0.20 cm² V?¹ s?¹。雖然帶電的適配體和處理過(guò)程中引入的水分子會(huì)帶來(lái)一定閾值電壓偏移和滯后，但整體性能仍處于可用范圍內(nèi)。更重要的是，器件在人工汗液等緩沖液中展現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性：適配體功能化器件在緩沖液中浸泡48天后，遷移率并未顯著下降，而純DPPTT器件的開(kāi)態(tài)電流則下降超過(guò)80%。這說(shuō)明交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和共價(jià)固定的適配體層可能共同提升了界面耐受性。
圖4 柔性、可拉伸EG-OFET器件結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性。器件采用彈性體基底和微裂紋金電極，可在低電壓下工作，并在最高50%應(yīng)變及長(zhǎng)時(shí)間緩沖液環(huán)境中保持穩(wěn)定響應(yīng)。
隨后，作者將材料進(jìn)一步用于柔性、可拉伸EG-OFET傳感器。器件采用彈性體基底和微裂紋金電極，半導(dǎo)體通道、源漏電極和側(cè)柵均可與緩沖液接觸。得益于電解質(zhì)雙電層?xùn)趴兀骷稍诘碗妷合鹿ぷ鳎ぷ麟妷旱陀?00 mV，更適合未來(lái)可穿戴或植入場(chǎng)景。拉伸測(cè)試顯示，器件在最高50%應(yīng)變下仍可保持穩(wěn)定工作；在緩沖液中浸泡50天后，EG-OFET依然沒(méi)有出現(xiàn)明顯性能衰減。
圖5 基于適配體功能化EG-OFET的皮質(zhì)醇檢測(cè)。器件可在1 pM至1 μM范圍內(nèi)響應(yīng)皮質(zhì)醇，并在隨機(jī)序列適配體、干擾物、不同拉伸狀態(tài)和長(zhǎng)時(shí)間浸泡后進(jìn)行對(duì)照驗(yàn)證。
最后，作者以皮質(zhì)醇檢測(cè)作為概念驗(yàn)證。將皮質(zhì)醇適配體接枝到DPPTT/BA通道后，當(dāng)目標(biāo)分子結(jié)合適配體，會(huì)誘導(dǎo)適配體構(gòu)象變化，并改變半導(dǎo)體表面附近的離子分布和局部電勢(shì)，從而調(diào)制p型半導(dǎo)體通道電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，器件可檢測(cè)1 pM至1 μM范圍內(nèi)的皮質(zhì)醇，覆蓋汗液中具有生理意義的濃度區(qū)間；擬合結(jié)果顯示檢測(cè)限低于1 pM，最大響應(yīng)為50.57 mV，最大靈敏度為7.54 mV/decade。與隨機(jī)序列適配體對(duì)照相比，皮質(zhì)醇適配體器件響應(yīng)明顯，說(shuō)明信號(hào)來(lái)自特異性分子識(shí)別，而不是非特異吸附或電解質(zhì)擾動(dòng)。
值得注意的是，作者還比較了不同DPPTT:BA比例對(duì)傳感性能的影響。結(jié)果并不是“適配體越多越好”：BA比例太低，接枝位點(diǎn)不足；BA比例太高，雖然適配體密度可能增加，但大量適配體遠(yuǎn)離DPPTT導(dǎo)電通道，難以有效調(diào)制電荷傳輸。DPPTT:BA為1:1時(shí)，器件綜合響應(yīng)更優(yōu)。這一結(jié)果強(qiáng)調(diào)了納米尺度形貌和電荷耦合距離的重要性，真正決定傳感性能的不是單純的識(shí)別分子數(shù)量，而是識(shí)別事件能否被半導(dǎo)體通道“感知”。
結(jié)論與展望
這項(xiàng)研究的核心貢獻(xiàn)，在于提出了一種面向可拉伸聚合物半導(dǎo)體的溫和、可圖案化、可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的生物功能化路線。通過(guò)將硫醇化適配體選擇性接枝到半導(dǎo)體/彈性體網(wǎng)絡(luò)中的彈性體相，研究團(tuán)隊(duì)在不明顯犧牲半導(dǎo)體電學(xué)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了活性通道的生物識(shí)別功能化。QSense QCM-D在其中提供了關(guān)鍵的原位界面證據(jù)，證明適配體固定并非簡(jiǎn)單物理吸附，而是光觸發(fā)的共價(jià)接枝過(guò)程，并進(jìn)一步給出了表面接枝密度。
從應(yīng)用角度看，這項(xiàng)工作為下一代皮膚型、可拉伸、可長(zhǎng)期工作的生化傳感器提供了新的材料平臺(tái)。未來(lái)，該策略有望擴(kuò)展到更多生物識(shí)別分子，例如酶、抗體、肽或不同類型的核酸適配體；也可進(jìn)一步用于多指標(biāo)汗液監(jiān)測(cè)、組織界面檢測(cè)、植入式生物電子器件等方向。當(dāng)然，要走向?qū)嶋H應(yīng)用，還需要繼續(xù)解決連續(xù)監(jiān)測(cè)中的抗污染、信號(hào)漂移、再生能力、批間一致性以及復(fù)雜體液環(huán)境中的校準(zhǔn)問(wèn)題。但這篇文章已經(jīng)展示出一個(gè)清晰方向：當(dāng)柔性半導(dǎo)體、穩(wěn)定界面化學(xué)和高靈敏晶體管讀出結(jié)合在一起，軟體生物電子器件將不只是“貼得住”，還可以真正“測(cè)得準(zhǔn)”。
基金支持
該研究獲得美國(guó)海軍研究辦公室Functional Polymeric and Organic Materials Program項(xiàng)目資助（N00014-23-1-2446）。C.Z.獲得美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering F32 fellowship資助（F32EB034156）。R.K.M.獲得美國(guó)國(guó)防部NDSEG Fellowship支持。Y.Yu.和Y.Ya.獲得Shoucheng Zhang Fellowship支持。Z.B.為Chan Zuckerberg Biohub San Francisco investigator和Arc Institute innovation investigator，并獲得Tianqiao and Chrissy Chen Ideation and Prototyping Lab、Stanford Wearable Electronics Initiative（eWEAR）seed funding等支持。部分工作在Stanford Nano Shared Facilities完成，該平臺(tái)由NSF ECCS-2026822支持。
原文鏈接
https://doi.org/10.1126/sciadv.aec2641
注：
1. 本文中使用到的百歐林儀器型號(hào)為QSense Explorer附加流動(dòng)模塊和蠕動(dòng)泵.實(shí)驗(yàn)配置示意圖如下：
2. 本文中圖片都來(lái)源于論文原文， Zhao et al., Science Advances, 2026。