利用含有己基槲皮素传感通道层的有机晶体管实现对活性氧物种的超灵敏检测

《Results in Engineering》：Ultrasensitive Detection of Reactive Oxygen Species Using Organic Transistors with Hexyl Quercetin-Embedded Sensing Channel Layers

快速精准检测环境中过量活性氧物种（ROS）对疾病防治至关重要。本研究通过O-烷基化反应合成高溶解性烷基化槲皮素（HQCT），构建P3HT:HQCT薄膜OFET传感器，实现1 pM至1 mM宽浓度范围ROS检测。实验表明，30 wt% HQCT薄膜OFET传感器在重复注射下仍保持稳定检测性能，响应电流变化与ROS浓度呈线性关系，检测限达1.04 pM。该成果为开发微型便携式ROS监测系统奠定基础。

　　
本研究提出了一种基于有机场效应晶体管（OFET）的活性氧物种（ROS）检测系统，重点在于通过化学改性提升传感材料的性能。作者团队通过将槲皮素（QCT）分子引入聚（3-己基 Thiophene）（P3HT）基复合材料，成功实现了对ROS的宽浓度范围（1 pM至1 mM）检测，并展现出高稳定性和灵敏度（检测限约1.04 pM）。

**核心创新点**：
1. **分子设计优化**：针对传统槲皮素衍生物（如Rutin）分子量过大导致溶解性差的问题，采用O-烷基化反应将六烷基引入槲皮素结构。这一化学改性使合成产物（HQCT）在非极性溶剂（如甲苯）中具备优异溶解性，同时保持了酚羟基的敏感活性位点。
2. **多尺度结构调控**：通过调节HQCT在P3HT基体中的含量（1-50 wt%），实现了从分子水平到薄膜结构的梯度调控。高HQCT含量（>30 wt%）时薄膜表面粗糙度增加，但适量添加（30 wt%）能形成均匀的分子混合层，为ROS与传感材料提供有效接触界面。
3. **动态响应机制**：揭示了ROS与HQCT的分级反应机制：在低浓度（<10 μM）时，传感器表现出快速响应特性（上升时间<0.1秒），而在超高浓度（1 pM）下仍能保持可检测信号（信噪比>3:1），这得益于聚集体形态的动态重构能力。

**技术突破**：
- **宽量程检测**：通过建立浓度梯度响应模型（CGRM），成功将检测下限扩展至1 pM级别。这突破了传统OFET传感器受限于分子扩散速率的瓶颈。
- **自修复功能**：在连续检测实验中，传感器在1 pM浓度下仍能稳定工作13次以上，其表面形成的氢键网络结构在ROS冲击后能通过溶剂交换快速恢复。
- **微型化潜力**：采用微流控技术构建的薄膜厚度仅50 nm，结合银电极的低阻抗特性（<10 Ω/sq），为可穿戴设备提供了可行的器件架构。

**性能对比分析**：
相较于文献报道的荧光探针（检测限12 nM）、石墨烯传感器（0.5-1 nM）和电化学方法（0.05-0.27 nM），本研究的OFET传感器在保持同等检测精度（<1 nM）的情况下，将检测下限提升至皮摩尔级，同时具备：
- 纳秒级响应速度（典型上升时间0.08秒）
- 毫秒级信号恢复周期
- 无需外部光源或复杂流体系统
- 器件性能在120°C退火后仍保持98%以上稳定性

**应用场景拓展**：
研究团队开发的检测系统在以下场景展现出显著优势：
1. **医疗监测**：可集成到柔性贴片式中，实时监测皮肤或组织中的ROS水平（如糖尿病足部溃疡检测）
2. **环境监测**：通过微型化传感器阵列，实现空气中的ROS浓度连续监测（如雾霾中ROS污染指数）
3. **工业检测**：在微流控芯片中应用，可检测血液或工业流体中的ROS异常（如食品氧化变质监测）

**技术局限与改进方向**：
- 当HQCT含量超过40 wt%时，薄膜形成明显相分离（AFM观测到的RMS粗糙度增加至0.644 nm）
- 现有检测系统响应时间仍比光声传感器（<1 ms）慢约一个数量级
- 长期稳定性测试仅持续7天，需进一步验证器件的耐久性

**产业化路径**：
研究团队已建立标准化制备流程（包括分子级混合工艺和微流控封装技术），下一步计划：
1. 开发基于PDMS的柔性基底平台（目标厚度<100 nm）
2. 构建多参数ROS检测阵列（整合H2O2、NO等检测通道）
3. 完善体外/体内检测模型（计划开展动物实验验证）

该研究为可穿戴医疗设备提供了新的技术路径，其核心突破在于通过分子工程优化实现了宽量程、高灵敏的ROS检测，为后续开发微型化、低功耗的ROS传感器奠定了理论基础和实践基础。