华盛顿大学破解有机电化学晶体管（OECTs）工作机制之谜

留学申请微信咨询

微信扫描左侧二维码

或点击下方按钮咨询

华盛顿大学（2024USNews美国大学排名：40）破解有机电化学晶体管（OECTs）工作机制之谜

华盛顿大学的研究团队在生物学和技术交界处取得了重要突破，成功解决了有机电化学晶体管（OECTs）工作机制中的一个长期未解的化学谜题。OECTs在生物传感器等植入设备中起到关键作用，但其开启时存在的延迟现象一直未能解释。研究团队发现，OECTs开启时经历了一个两步过程：首先，离子波前穿过晶体管，然后更多的带电粒子进入晶体管的柔性结构，使其略微膨胀并达到工作电流水平。而关闭时则是一个简单的一步过程，带电化学物质的水平迅速下降，立即中断电流。了解这一延迟的原因将有助于科学家设计新一代的OECTs，用于更广泛的应用，如生物传感、脑启发计算等。研究还表明，OECTs的材料结构对其性能有直接影响，未来的研究可以探索如何调整材料组成、液体、盐类和电荷载体等参数，以满足不同设备的需求。

有机电化学晶体管（OECTs）的工作机制

OECTs通过离子和电子的流动来工作，适用于植入式生物传感器等设备。然而，科学家们长期以来无法解释OECTs在开启时的延迟现象。华盛顿大学的研究团队发现，OECTs在开启时经历了一个两步过程：首先，离子波前穿过晶体管，然后更多的带电粒子进入晶体管的柔性结构，使其略微膨胀并达到工作电流水平。而关闭时则是一个简单的一步过程，带电化学物质的水平迅速下降，立即中断电流流动。了解这一延迟的原因将有助于科学家设计新一代OECTs，以适应更广泛的应用需求。

研究团队还发现，OECTs的材料结构对其性能有直接影响，未来的研究可以探索如何减少或延长延迟时间。OECTs不仅用于生物传感，还用于研究肌肉中的神经冲动以及创建人工神经网络等。

OECTs在生物传感和脑启发计算中的应用

OECTs在生物传感和脑启发计算等领域有着广泛的应用前景。通过离子和电子的流动，OECTs能够在生物和化学界面上工作，适用于各种植入式设备。研究发现，OECTs在开启时经历了一个两步过程，首先是离子波前穿过晶体管，然后更多的带电粒子进入晶体管的柔性结构，导致电流达到工作水平。而关闭时则是一个简单的一步过程，带电化学物质的水平均匀下降，迅速中断电流。

了解这一延迟的原因将帮助科学家设计新一代OECTs，以满足不同应用的需求。研究团队包括来自日本冲绳科学技术研究所和中国浙江大学的教授，他们合成了用于研究的聚合物材料。未来的研究可能会探索如何减少或延长OECTs的延迟时间，以适应不同类型的设备需求。

材料结构对OECT性能的影响

材料结构对OECTs的性能有着直接的影响。本文介绍了一种新型的基于碳纳米管（CNT）掺杂过渡金属碳化物的有机电化学晶体管（OECT）适配体传感器（CM-OECATs），用于灵敏检测癌胚抗原（CEA），以实现精确的肺癌诊断。CEA作为肺癌的生物标志物，其有效检测对肺癌诊断至关重要。由于生物样本的低丰度和复杂性，迫切需要开发灵敏、低成本和快速的检测策略。

研究中合成了CNT掺杂的MXene材料，并用于CM-OECATs的制造。验证了CNT掺杂MXene的形貌和掺杂效果，2.0 wt%的CNT在跨导（Gm）为0.801 ms时达到最大掺杂效率。通过系统优化温度、pH值、适配体浓度和孵育时间，CM-OECATs实现了0.1 pg/mL到100 ng/mL的宽检测范围，最低检测限为0.051 pg/mL。CM-OECATs在稳定性（下降0.819%）、特异性和重复性（RSD=2.05%）方面表现出色。

在临床样本分析中，CM-OECATs有效区分了11例肺癌血清样本和12例健康对照样本（AUC=0.9748，特异性=0.9565，灵敏度=0.9978）。两批样本的t检验结果p值<0.05，表明CM-OECATs具有有效的区分能力。此外，CM-OECATs在25个临床样本中表现出良好的临床相关性（y=0.9782x+0.7532，R²=0.9723）。总之，基于CNT掺杂MXene的有机电化学晶体管适配体传感器（CM-OECATs）在未来实时临床监测中具有很大潜力，为高效、低成本和高灵敏度的检测技术铺平了道路。

OECTs未来的研究方向

未来的研究方向将集中在如何进一步优化OECTs的性能和应用。浦项科技大学的研究团队利用纳米压印光刻技术（NIL）创建了嵌入量子点的超表面，从而提高了发光效率。研究结果发表在国际纳米技术期刊《Nano Letters》上。NIL通过使用图案化的印章快速转移纳米级复杂图案，比电子束光刻等其他工艺更具成本效益，并允许使用传统工艺无法使用的材料来创建超表面。

量子点是纳米级半导体颗粒，能够在特定波长上发光，广泛应用于QLED和量子计算领域。然而，传统方法无法将量子点嵌入超表面，研究通常涉及分别制造超表面和量子点，然后将它们结合，这限制了对量子点发光的控制。在当前研究中，研究人员将用于NIL工艺的二氧化钛与量子点结合，在创建超表面时直接嵌入量子点。实验表明，与基本的量子点涂层相比，该团队的超表面产生的发光效率提高了25倍。

发光控制超表面的使用将使显示器更清晰、更亮，并使生物传感更精确、更灵敏。进一步的研究将使我们能够更有效地控制发光，推动纳米光学传感器、光电设备和量子点显示器等领域的进步。该研究得到了POSCO N.EX.T IMPACT、三星未来技术孵化计划、科学和ICT部的中期研究员计划以及韩国国家研究基金会的资助。

综合总结

华盛顿大学的研究团队在破解有机电化学晶体管（OECTs）工作机制方面取得了重要进展，特别是解决了其开启时存在的延迟现象。这一发现不仅有助于设计新一代的OECTs，还为其在生物传感、脑启发计算等领域的应用铺平了道路。研究表明，OECTs的材料结构对其性能有直接影响，未来的研究可以探索如何调整材料组成、液体、盐类和电荷载体等参数，以满足不同设备的需求。

此外，基于CNT掺杂MXene的有机电化学晶体管适配体传感器（CM-OECATs）在肺癌诊断中的应用展示了OECTs在生物医学领域的巨大潜力。未来的研究方向将集中在如何进一步优化OECTs的性能和应用，包括利用纳米压印光刻技术（NIL）创建嵌入量子点的超表面，以提高发光效率和生物传感的精确性。

总之，OECTs作为一种新兴的技术，其在生物传感、脑启发计算和其他领域的应用前景广阔。通过不断的研究和优化，OECTs有望在未来的科技发展中发挥更大的作用。