跨界生物电子学的蚕丝纳米界面实现高灵敏有机电子传感器

呼吸可以揭示我们的健康状况。人体呼出气体中的微小分子，能够为肺部疾病、糖尿病等很多疾病提供有用的线索。这就是为什么研究人员一直热衷于开发能够精确检测这些化合物的更灵敏的呼吸传感器。近日，有学者报道了一种新型有机电子传感器，利用蚕丝的独特特性实现了前所未有的灵敏度和速度。

据麦姆斯咨询报道，美国塔夫茨大学（Tufts University）Fiorenzo Omenetto领导的一支研究团队近期在Advanced Materials期刊上发表了一篇题为“Bimodal Gating Mechanism in Hybrid Thin-Film Transistors Based on Dynamically Reconfigurable Nanoscale Biopolymer Interfaces”的论文，详细介绍了这种结合天然材料特性的新器件。近年，Omenetto的实验室开创了控制并定型丝素蛋白的技术，丝素蛋白正是一种赋予蚕丝非凡特性的结构蛋白。

通过将蚕丝与传统半导体技术相结合，研究人员打造了一种新型柔性晶体管，只需通过吸收呼气中的水分，就可以在两种工作模式之间快速切换。

研究人员开发的蚕丝场效应晶体管（Silk FET）架构及制造

该技术的关键在于只有几纳米厚的生物聚合物层。Omenetto解释称：“我们可以将这些蚕丝薄膜的厚度控制在纳米级。从而使研究人员能够优化材料与水分子相互作用的方式。”其晶体管在铟镓锌氧化物（IGZO）基上构建，IGZO是一种通用的半导体氧化物，还用于商用平板显示器。

只有3~5纳米厚的蚕丝层被动地位于IGZO上，被研究人员命名为“Silk FET”，当器件干燥时，Silk FET以传统半导体物理模式工作。但当Silk FET吸收水分后，其特性会发生根本性变化。

水使正离子和负离子在蚕丝薄膜界面上排列，形成所谓的双电层，中间纸层像纳米电容器极板一样电堆叠。这实现了一种被称为电解质门控的完全不同的工作模式，当晶体管打开时，它会产生高达一百万倍的电流。即使是微量的水分也足以打开开关。科学家们将这种双门控模式完全归因于水分子的存在。

通过吸收呼气中的微量水分，就可以在两种模式之间切换，从而构建了一种超灵敏的传感器。当受试者在器件上呼气时，水蒸气开启电解质门控，电流会在短短30毫秒内迅速升高。当干燥空气引入时，晶体管则会在300毫秒内切换回标准工作模式。这种快速响应能力使传感器能够在多个呼吸周期内准确跟踪每次的吸气和呼气。

Omenetto的团队利用这种特性构建了一款快速、高灵敏度的呼吸监测仪。异常的呼吸模式常常与睡眠呼吸暂停、哮喘甚至心脏问题有关。在此之前，大多数传感器都滞后于每次呼吸的速度。Omenetto评价称：“得益于其优于当前最先进技术的快速响应时间，我们开发的这种新型器件可以精确跟踪呼吸动态。”

Omenetto的团队在外科口罩上集成了一组Silk FET，以展示他们的发明如何在佩戴者说话或移动时实时监测呼吸频率。通过在丝膜基质中引入能够响应呼气中特定分子的化合物，可以进一步调节器件的灵敏度。

这项研究成果凸显了蚕丝材料作为高科技材料的多功能性。Omenetto解释道：“我们可以设计蚕丝薄膜的纳米级特性，并将其与传统电子产品无缝集成。”

轻质、柔性、生物相容的丝基材料能够在下一代生物电子器件中与刚性硅芯片或金属电极形成协同作用。研究人员表示，他们开发的Silk FET可以用于从诊断到软机器人等所有领域。Omenetto强调，丝基材料还有很多东西值得我们深入研究。“这为开发基于蚕丝的生物电子混合纳米界面提供了新视角。”他说。

审核编辑：刘清