面向生物医学应用的钙离子传感扩展栅有机场效应晶体管研究

研究人员针对传统钙离子(Ca2+)检测技术灵敏度不足、稳定性差等问题，开发了一种基于扩展栅有机场效应晶体管(ExG-OFET)的新型柔性传感器。该器件通过集成液态可加工离子选择膜，实现了超过60 mV dec?1的高灵敏度和低μM级检测限，其晶体管结构提供的本征电子放大特性显著优于传统离子敏感电极(ISE)。该研究为生物医学领域如体外电生理学和表皮电子学提供了低成本、高稳定性的解决方案。

　　

钙离子(Ca²⁺)作为人体内关键的信号分子，参与从神经递质释放到肌肉收缩等众多生理过程，其浓度异常与骨质疏松、心血管疾病等密切相关。然而，现有检测技术如离子敏感电极(ISE)和光度法系统存在明显局限：ISE受制于能斯特方程的理论灵敏度极限，且需外接放大电路；光度法则因复杂的光学系统难以实现连续监测。更棘手的是，传统电解质门控有机晶体管(EGOT)虽具备柔性优势，却因活性层溶胀等问题导致输出电流漂移。这些技术瓶颈严重制约了钙离子动态监测在临床诊断和基础研究中的应用。

针对上述挑战，一支跨国研究团队在《Sensors and Actuators Reports》发表创新成果。他们设计了一种扩展栅有机场效应晶体管(ExG-OFET)传感器，通过将离子选择膜与晶体管架构耦合，实现了"传感-放大"一体化。该器件采用聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)作为固态接触层，结合含ETH5234钙离子载体的高分子膜，在保持柔性特性的同时显著提升了稳定性。

关键技术方法包括：1) 在PET基底上通过光刻和化学蚀刻制备铝栅极图案；2) 采用氧等离子体生长氧化铝介电层并沉积聚对二甲苯C薄膜；3) 电化学沉积PEDOT:PSS作为离子-电子转导层；4) 滴铸含钙离子载体的高分子选择膜；5) 使用DPP-TTT有机半导体构建晶体管沟道。所有电化学测试均采用三电极体系，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。

3.1 扩展栅晶体管表征
器件在-2.5 V低电压下工作，空穴迁移率达1×10^?2 cm²/Vs，阈值电压4.5±1.5 V。输出/转移曲线显示近乎理想的场效应调制特性，滞后效应可忽略不计，证实了制备工艺的可靠性。

3.2 离子选择膜表征
优化后的PEDOT:PSS沉积循环数为5次，膜面积16 mm²时灵敏度达22.8 mV dec^?1。在0.1 M KNO₃溶液中漂移率仅0.2 mV/min，响应时间7±3秒，检测限3.9×10^?5 M，显著优于传统ISE。

3.3 传感器性能
实际检测中，传感器表现出三大突破性优势：1) 灵敏度提升至63 mV dec^?1，突破能斯特极限；2) 检测限降至1.6±0.3 μM，比单独膜组件提高一个数量级；3) 对Na⁺、Mg²⁺、葡萄糖和pH变化(5.5-7.5)均无响应，特异性优异。电流噪声低至0.2 nA_RMS，响应时间缩短至3±1秒。

这项研究通过巧妙的器件设计解决了有机电子器件稳定性与灵敏度难以兼得的矛盾。ExG-OFET架构将传感区域与有机半导体沟道物理隔离，既保留了晶体管的信号放大优势，又避免了电解质直接接触导致的性能退化。所实现的60 mV dec^?1超能斯特灵敏度，为发展穿戴式生理监测设备奠定了技术基础。特别值得注意的是，该技术采用全溶液加工工艺，与低成本柔性电子制造完全兼容，这在规模化应用中具有显著优势。未来通过优化离子载体组合，该平台可扩展至其他生理相关离子的检测，为精准医疗提供新的技术工具。