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随着生物医学技术的不断发展，可穿戴生物传感器在健康监测领域的重要性日益凸显。这类设备能够实时监测人体的生理信号，为疾病的早期诊断和健康管理提供重要依据。然而，现有的有机场效应晶体管（OFET）生物传感器在实际应用中面临着诸多挑战，如信号漂移、机械应变和温度变化等，这些问题严重影响了传感器的准确性和可靠性。因此，开发一种能够克服这些挑战的新型生物传感器具有重要的科学意义和应用价值。

成果简介

近日，斯坦福大学鲍哲南等人提出了一种基于可拉伸二极管连接有机场效应晶体管（OFET）的皮肤式无漂移生物传感器。该传感器通过电容耦合和差分信号处理技术，有效减少了信号漂移，提高了传感器在复杂环境下的稳定性。这一成果为可穿戴生物传感器的发展提供了新的思路和方法。

设计原理

该研究的核心是利用扩展栅（EG）电容耦合和二极管连接的OFET对来实现无漂移生物传感。通过在两个OFET的扩展栅上分别功能化目标和参考生物受体，可以有效减小环境变化（如偏置应力、离子迁移、机械应变、运动伪影和温度波动）对信号的影响。研究团队通过理论分析和实验验证，确定了最优的电容比（CG/CEG≈10），以实现最高的灵敏度。

图|皮肤状二极管连接有机场效应晶体管用于无漂移多模态生物传感

柔性和可拉伸OFET生物传感器的制备

为了实现皮肤式的机械性能，研究团队开发了一种基于双层聚合物介电层（NBR和SEBS）的OFET结构。通过光刻和交联技术，实现了高分辨率的图案化，同时保持了器件的柔性和可拉伸性。此外，通过在EG上沉积金纳米颗粒，提供了表面功能化位点，而不会影响电极的柔韧性。

图|二极管连接有机场效应晶体管的制造和特性分析

无漂移特性

实验结果表明，二极管连接的OFET对在连续恒定电流偏置下，能够显著减少信号漂移。在20分钟的测试中，单个OFET的电压漂移约为1.2 V，而差分信号的平均漂移仅为15 mV，减少了两个数量级。此外，该系统在温度变化（30°C至40°C）和机械应变（高达100%）的条件下，仍能保持稳定的输出信号。

图|具有漂移抵消特性的二极管连接有机场效应晶体管对

生物传感应用

研究团队展示了该OFET平台在三种不同生物传感机制中的应用：基于核酸适配体的皮质醇传感、基于酶的葡萄糖传感和基于离子选择性膜的钠离子传感。通过在目标和参考OFET的扩展栅上分别功能化特异性生物受体，实现了对目标生物标志物的高选择性检测。例如，在皮质醇传感中，该系统能够检测到低至1皮摩尔的皮质醇浓度，并在100纳摩尔范围内表现出良好的线性响应。

图|利用自参考有机场效应晶体管传感器进行传感示例

集成无线系统

为了实现实际应用，研究团队开发了一种集成的无线测量模块，将软传感器与柔性印刷电路板（PCB）相结合。该系统通过蓝牙低能耗（BLE）模块与智能手机应用程序通信，实现了实时数据传输和可视化。实验结果表明，该系统能够在人体上稳定运行，并在冷加压试验（CPT）中成功检测到汗液中皮质醇水平的变化。

图|软和无线系统的混合系统级集成

小结

该研究成功开发了一种新型的皮肤式无漂移生物传感器，通过巧妙的设计和材料选择，显著提高了传感器在复杂环境下的稳定性和可靠性。这一成果不仅为可穿戴生物传感器的发展提供了新的技术路径，也为未来的健康监测和疾病诊断提供了更有力的工具。未来，研究团队将进一步优化传感器的性能，并探索其在更多生物标志物检测中的应用潜力。

参考文献：

Zhao, C., Park, J., Maulà, D. et al. Skin-like drift-free biosensors with stretchable diode-connected organic field-effect transistors. Nat Electron (2025).

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