跨界生物電子學(xué)的蠶絲納米界面實現(xiàn)高靈敏有機電子傳感器

呼吸可以揭示我們的健康狀況。人體呼出氣體中的微小分子，能夠為肺部疾病、糖尿病等很多疾病提供有用的線索。這就是為什么研究人員一直熱衷于開發(fā)能夠精確檢測這些化合物的更靈敏的呼吸傳感器。近日，有學(xué)者報道了一種新型有機電子傳感器，利用蠶絲的獨特特性實現(xiàn)了前所未有的靈敏度和速度。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國塔夫茨大學(xué)（Tufts University）Fiorenzo Omenetto領(lǐng)導(dǎo)的一支研究團隊近期在Advanced Materials期刊上發(fā)表了一篇題為“Bimodal Gating Mechanism in Hybrid Thin-Film Transistors Based on Dynamically Reconfigurable Nanoscale Biopolymer Interfaces”的論文，詳細介紹了這種結(jié)合天然材料特性的新器件。近年，Omenetto的實驗室開創(chuàng)了控制并定型絲素蛋白的技術(shù)，絲素蛋白正是一種賦予蠶絲非凡特性的結(jié)構(gòu)蛋白。

通過將蠶絲與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，研究人員打造了一種新型柔性晶體管，只需通過吸收呼氣中的水分，就可以在兩種工作模式之間快速切換。

研究人員開發(fā)的蠶絲場效應(yīng)晶體管（Silk FET）架構(gòu)及制造

該技術(shù)的關(guān)鍵在于只有幾納米厚的生物聚合物層。Omenetto解釋稱：“我們可以將這些蠶絲薄膜的厚度控制在納米級。從而使研究人員能夠優(yōu)化材料與水分子相互作用的方式?！逼渚w管在銦鎵鋅氧化物（IGZO）基上構(gòu)建，IGZO是一種通用的半導(dǎo)體氧化物，還用于商用平板顯示器。

只有3~5納米厚的蠶絲層被動地位于IGZO上，被研究人員命名為“Silk FET”，當(dāng)器件干燥時，Silk FET以傳統(tǒng)半導(dǎo)體物理模式工作。但當(dāng)Silk FET吸收水分后，其特性會發(fā)生根本性變化。

水使正離子和負離子在蠶絲薄膜界面上排列，形成所謂的雙電層，中間紙層像納米電容器極板一樣電堆疊。這實現(xiàn)了一種被稱為電解質(zhì)門控的完全不同的工作模式，當(dāng)晶體管打開時，它會產(chǎn)生高達一百萬倍的電流。即使是微量的水分也足以打開開關(guān)?？茖W(xué)家們將這種雙門控模式完全歸因于水分子的存在。

通過吸收呼氣中的微量水分，就可以在兩種模式之間切換，從而構(gòu)建了一種超靈敏的傳感器。當(dāng)受試者在器件上呼氣時，水蒸氣開啟電解質(zhì)門控，電流會在短短30毫秒內(nèi)迅速升高。當(dāng)干燥空氣引入時，晶體管則會在300毫秒內(nèi)切換回標(biāo)準(zhǔn)工作模式。這種快速響應(yīng)能力使傳感器能夠在多個呼吸周期內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤每次的吸氣和呼氣。

Omenetto的團隊利用這種特性構(gòu)建了一款快速、高靈敏度的呼吸監(jiān)測儀。異常的呼吸模式常常與睡眠呼吸暫停、哮喘甚至心臟問題有關(guān)。在此之前，大多數(shù)傳感器都滯后于每次呼吸的速度。Omenetto評價稱：“得益于其優(yōu)于當(dāng)前最先進技術(shù)的快速響應(yīng)時間，我們開發(fā)的這種新型器件可以精確跟蹤呼吸動態(tài)?！?/p>

Omenetto的團隊在外科口罩上集成了一組Silk FET，以展示他們的發(fā)明如何在佩戴者說話或移動時實時監(jiān)測呼吸頻率。通過在絲膜基質(zhì)中引入能夠響應(yīng)呼氣中特定分子的化合物，可以進一步調(diào)節(jié)器件的靈敏度。

這項研究成果凸顯了蠶絲材料作為高科技材料的多功能性。Omenetto解釋道：“我們可以設(shè)計蠶絲薄膜的納米級特性，并將其與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品無縫集成?！?/p>

輕質(zhì)、柔性、生物相容的絲基材料能夠在下一代生物電子器件中與剛性硅芯片或金屬電極形成協(xié)同作用。研究人員表示，他們開發(fā)的Silk FET可以用于從診斷到軟機器人等所有領(lǐng)域。Omenetto強調(diào)，絲基材料還有很多東西值得我們深入研究?！斑@為開發(fā)基于蠶絲的生物電子混合納米界面提供了新視角?！彼f。

審核編輯：劉清