在一个可能会改变生物电子传感的突破中，莱斯大学的一个跨学科研究团队开发了一种新方法，利用有机电化学晶体管（OECTs）大幅增强酶和微生物燃料电池的灵敏度。该研究最近发表在期刊《Device》上。
这种创新的方法将电信号放大了三个数量级，并提高了信噪比，可能使下一代高灵敏、低功耗的生物传感器在健康和环境监测中成为可能。
“我们展示了一种简单而强大的技术，使用OECTs放大微弱的生物电子信号，克服了将燃料电池与电化学传感器集成的先前挑战，”通讯作者、化学与生物分子工程、材料科学与纳米工程教授拉斐尔·维尔杜兹科（Rafael Verduzco）说。“这种方法为更通用和高效的生物传感器打开了大门，这些传感器可以应用于医学、环境监测以及可穿戴技术。”
传统生物传感器依赖于目标生物分子与传感器设备之间的直接相互作用，而当电解质环境不兼容时，这可能会带来限制。这项研究通过电子耦合燃料电池与OECTs而不是将生物分子直接引入传感器，从而规避了这一挑战。
“生物电子传感中最大的障碍之一是设计能够在不同化学环境中工作而不影响性能的系统，”通讯作者、生物科学教授、莱斯合成生物学研究所所长以及德克萨斯癌症预防和研究所学者卡罗琳·阿霍-富兰克林（Caroline Ajo-Franklin）说。“通过将OECT和燃料电池分开，我们确保了两个组件的最佳条件，同时仍实现了强大的信号放大。”
OECTs是能在水相环境中工作的薄膜晶体管，以其高灵敏度和低电压操作而受到关注。为此项研究，团队将OECTs与两种类型的生物燃料电池集成，以增强其性能。第一种类型，酶燃料电池，利用葡萄糖脱氢酶催化葡萄糖氧化的过程，产生电力。第二种类型，微生物燃料电池，依赖于电活性细菌代谢有机底物并产生电流。随后，OECTs以两种不同配置与燃料电池耦合：阴极门配置和阳极门配置。
研究人员发现，OECTs可以将酶和微生物燃料电池的信号放大1,000到7,000倍，具体取决于配置和燃料电池类型。这种放大效果显著高于传统电化学放大技术，后者通常在10到100倍的范围内实现信号增强。
研究团队发现，阴极门配置提供了最佳的放大效果，特别是在使用特定高分子作为通道材料时。阳极门配置也显示出强大的放大效果，但在较高燃料电池电流下可能面临潜在挑战，导致在某些情况下出现不可逆的退化。
除了增强信号强度，研究人员发现OECTs还减少了背景噪声，使测量更加精确。传统传感器在干扰和微弱信号的情况下可能会遇到困难，但OECTs产生了更清晰、更可靠的数据。
“我们观察到，燃料电池中的微小电化学变化被转化为通过OECT产生的大而易检测的电信号，”该研究的共同第一作者、莱斯大学斯梅利-卡尔研究所应用物理项目的研究生拉温德拉·萨克塞纳（Ravindra Saxena）说。“这意味着我们可以以比以前更大的灵敏度来检测生物分子和污染物。”
这一技术的现实应用极为广泛，研究团队成功展示了在单片玻璃载片上系统的微型化版本，证明该技术可扩展并可用于便携式生物传感器。
最有前景的应用之一是砷化物检测，这是水安全中的一个关键需求。团队工程化了具有砷化物响应的外部电子转移途径的E. coli细菌，使其能够在浓度低至每升0.1微摩尔的情况下检测砷化物的存在，并能从OECT放大信号中获得清晰、可测量的响应。
除了环境应用，该系统还可以在可穿戴健康监测中产生革命性的变化，因功耗高效且高灵敏度的生物传感器在此类领域的需求很高。例如，在微生物燃料电池的成功演示中，在汗水中检测乳酸（这是肌肉疲劳的一个指标）得以实现。
“运动员、医疗患者，甚至士兵都可以从实时代谢监测中受益，而无需复杂的高功率电子设备，”该研究的共同第一作者、生命科学系的博士后研究员徐章（Xu Zhang）说。
研究人员强调，了解OECT与燃料电池之间的能量动态是优化传感器性能的关键，并识别出两种不同的操作模式。在功率不匹配模式中，燃料电池产生的功率低于OECT所需的功率，导致灵敏度更高，但工作接近短路条件。相比之下，功率匹配模式发生在燃料电池产生足够的功率来驱动OECT时，从而导致更稳定和准确的读数。
“通过微调这些相互作用，我们可以设计出适合不同应用的传感器，从高度灵敏的医学诊断到稳健的环境监测，”维尔杜兹科说。“我们相信这种方法将改变我们对生物电子传感的看法。这是一种简单、有效并且可扩展的解决方案。”
这项研究得到了陆军研究办公室、德克萨斯癌症预防和研究所和国家科学基金会的资助。
