Biofunctional electrolyte-gated organic field-effect transistors.

场效应晶体管(FET)生物传感器

青霉素（penicillin）；样品基质：磷酸盐缓冲液（PBS），包括0.5 mM PBS（pH 6.4，离子强度50 mM NaCl）和10 mM PBS（pH 5，离子强度50 mM KCl）

青霉素酶（PEN）特异性催化青霉素β-内酰胺环水解，生成青霉酸并释放质子，使电极界面局部pH下降。α6T半导体表面具有pH敏感表面电荷：未处理膜存在OH−吸附和少量氧相关基团，UV/O2氧化增加氧相关基团，APTES引入氨基与硅醇，使界面电荷随pH变化更显著。局部pH变化改变α6T/电解质双电层和表面势，在Ag/AgCl参考电极施加的栅压下移动α6T准费米能级，调制沟道载流子浓度和源漏电流。恒I_ds模式下，反馈栅压或阈值电压U_th发生偏移，偏移量随青霉素浓度增加而增大。低浓度线性响应来自缓冲动力学、酶催化动力学和扩散过程的共同作用。

LOD: around 5 μM；灵敏度: 80 μV/μM (physisorbed enzymes), about 50 μV/μM (APTES-treated)；pH灵敏度: 14 mV pH−1 (untreated, up to pH 5), 10 mV pH−1 (neutral), 26 mV pH−1 (UV-oxidized, below pH 5), 21 mV pH−1 (APTES, neutral)

器件选择性主要来自青霉素酶：仅PEN修饰的SGFET对青霉素产生明显响应，裸α6T器件只在较高浓度下因本体pH变化出现弱响应。添加青霉素后数秒内达到新的稳定电流水平。物理吸附酶与APTES化学固定酶在信号和稳定性上无显著差异；经1 M KCl振荡清洗2 h（600 rpm）后两者响应均类似下降，表明有机薄膜表面有利于酶强物理吸附，复杂固定并非必需。低浓度青霉素灵敏度约为80 μV μM−1（物理吸附）和50 μV μM−1（APTES固定），与无机ENFET相当或更高。作者认为结合有机半导体低成本制备和稳定酶固定，有机SGFET可作为一次性生物传感器用于食品或健康监测。

本文报道了一种基于溶液门控有机场效应晶体管（SGFET）的生物传感器平台。器件以蓝宝石为基底，采用Ti/Au源漏电极和100 nm多晶α-六噻吩（α6T）半导体沟道，沟道直接接触电解质，无需钝化层，界面双电层电容约2 μF cm−2，可在低于1 V栅压下工作。作者通过受控UV/O2氧化和(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）修饰提高α6T表面pH敏感性：氧化引入氧相关基团，使酸性区pH灵敏度由约14 mV pH−1提高到26 mV pH−1；APTES引入氨基和硅醇，使中性区灵敏度提高到21 mV pH−1，并提供酶固定位点。青霉素酶（PEN）经APTES-丁二酸酐-EDC/NHS偶联或物理吸附固定后，可催化青霉素β-内酰胺环水解并释放质子，局部pH变化被晶体管检测。在0.5 mM PBS（pH 6.4）中，器件对青霉素的检测限约为5 μM，低浓度灵敏度约为80 μV μM−1（物理吸附）和50 μV μM−1（APTES固定），与无机酶FET相当，展示了有机SGFET作为低成本一次性生物传感器的潜力。