大家好，今天为大家分享一篇2026年6月1日发表在Advanced Functional Materials的文献，题目为"Energy-Efficient Organic Photoelectrochemical Memtransistor Biodetection"。本文的第一作者是Han-Xiao He，本文的通讯作者是Yang Zhao, Yuxin Chen, Wei-Wei Zhao。
摘要
随着生物分析需求的日益增长，新型生物检测技术正在迅速发展。本研究报道了一种高能效有机光电化学忆阻晶体管（OPECmT）生物检测的新操作模式。该方法通过协同利用有机光电化学晶体管（OPECT）和忆阻晶体管的特性得以实现。与以往OPECT生物检测中持续施加的沟道电压（）不同，OPECmT生物检测仅需一个脉冲即可运行，无需待机能量输入。值得注意的是，OPECmT生物检测的总能耗比OPECT低了两个数量级。通过一个杂交链式反应（HCR）辅助的适体传感实例，本研究通过检测抗生素恩诺沙星验证了该技术的可行性，展现了良好的分析性能，检测限达到100 ag/mL，且能耗低于许多已发表的方法。这项工作是对高能效OPECmT生物检测的概念验证研究，可作为一种通用的先进生物检测技术。
研究背景与设计
有机光电化学晶体管（OPECTs）结合了有机场效应晶体管和光电化学的优点，在生物检测、光电逻辑和神经形态研究等领域显示出巨大潜力。然而，传统的OPECT检测通常需要持续施加电压，导致较高的待机能耗。
忆阻晶体管（Memtransistor）是一种集晶体管与忆阻器功能于一体的新型器件。受其启发，研究人员提出了有机光电化学忆阻晶体管（OPECmT）的概念，其独特的脉冲电压操作模式和零待机能耗特性，为开发高能效的生物检测技术提供了新思路。
本文中，研究团队提出了一种基于共价有机框架（COF）门控的OPECmT用于抗生素恩诺沙星（ENR）的高效检测。其核心策略如图1所示：
- 1. 检测原理（图1a）：首先，在磁珠表面构建“三明治”结构。ENR与其适配体Apt1和Apt2特异性结合，引发杂交链式反应（HCR）扩增。随后，碱性磷酸酶（ALP）催化硫代磷酸钠反应，产生H₂S气体。
- 2. 器件构建（图1b）：H₂S气体与预先在门电极修饰的含Cd²⁺的COF反应，原位生成COF/CdS异质结。该异质结作为OPECmT的光电门极，在光照下调控PEDOT:PSS沟道的电导率。
- 3. 操作模式对比（图1c, d）：传统OPECT在检测中需要持续施加沟道电压（），而OPECmT仅在读出信号时施加一个短暂的电压脉冲。
- 4. 能效对比（图1e）：这一操作模式的改变带来了显著的节能效果。在检测10 pg/mL ENR时，OPECmT的能耗（约200 nJ）比OPECT（约20 μJ）降低了两个数量级。
图1 a) 由目标物依赖的HCR和ALP催化的酶促反应触发的CdS沉积的COF合成示意图。b) COF/CdS门控的OPECmT示意图。c) OPECT和OPECmT的迟滞特性，d) 施加的，以及e) 相应的能耗示意图。
材料表征与分析
为了验证材料的成功制备及其光电性能，研究人员进行了一系列表征。
如图2所示，SEM图像（图2a, b）显示，COF材料为表面粗糙的均一球形纳米颗粒，经过处理后CdS成功生长于其表面。XRD谱图（图2c）和FTIR光谱（图2d）证实了COF的成功合成以及COF/CdS复合物的形成。XPS分析（图2e）进一步确认了COF/CdS中Cd和S元素的存在。
通过对材料能带结构的研究（图2f, g），确定了COF和CdS的带隙分别为2.63 eV和2.49 eV。能带对齐分析（图2h）表明，两者形成了S型异质结。这种结构有利于光生载流子的有效分离：光照下，CdS导带上的电子会与COF价带上的空穴复合，而有用的电子和空穴则分别保留在COF的导带和CdS的价带上，从而增强了光电转换效率。EIS测试（图2i）也表明，COF/CdS异质结具有比纯COF更低的电荷转移电阻，这得益于CdS的引入促进了电荷转移。
图2 a) COF和b) COF/CdS的扫描电子显微镜（SEM）图像。c) TAPB, DMTP, COF和COF/CdS的X射线衍射（XRD）谱图和d) 傅里叶变换红外（FTIR）光谱。e) COF和COF/CdS的X射线光电子能谱（XPS）谱图。f) COF和CdS的价带XPS（VB-XPS）概览谱图。g) COF和COF/CdS的紫外-可见吸收光谱。插图：COF和CdS的Tauc图。h) COF/CdS处的电荷转移路径示意图。i) COF和COF/CdS的电化学阻抗谱（EIS）Nyquist图。
OPECT与OPECmT能效对比
研究的核心在于验证OPECmT模式的高能效特性。如图3所示，研究团队对比了OPECT和OPECmT在光照下的响应行为和能耗。
在OPECT模式下（图3a, c），扫描门极电压（），器件表现出单极性迟滞回线，且沟道电流（）随光照强度增强而变化。而在OPECmT模式下（图3b, d），通过扫描沟道电压（），器件表现出双极性迟滞特性，光照同样能显著调控其-曲线。
能耗的对比最具说服力。在OPECT检测中（图3e），需要持续施加（20 mV），导致在整个检测过程中持续产生电流并消耗能量，总能耗高达20 μJ。而在OPECmT检测中（图3f），仅在光照反应后施加一个短暂的脉冲（20 mV, 0.2 s）来读取脉冲电流信号，其能耗仅为240 nJ，降低了约两个数量级。
其机理如图3g所示。对于OPECT，持续的导致了持续的待机电流和能量消耗。而在OPECmT中，只有在施加电压脉冲时，沟道中的空穴才开始流动并产生可读出的电流脉冲，其余时间待机电流为零，因此能耗极低。
图3 a) OPECT和b) OPECmT在黑暗和光照下的迟滞行为。c) OPECT和d) OPECmT在不同光强度下的迟滞行为。e) OPECT和f) OPECmT检测中施加的及其相应的和能耗。g) OPECT和OPECmT对应的信号传导机制。
OPECmT生物检测应用
随后，研究团队将这一高能效的OPECmT器件应用于ENR的检测。
如图4a所示，随着ENR浓度的增加，器件的-迟滞回线中的电流响应逐渐减小。这是因为更高浓度的ENR会产生更多的H₂S，从而在COF表面生成更多的CdS。如图4b和4c所示，在光照下，COF（不存在ENR时）会产生负向光电压，导致沟道电导率增加；而COF/CdS异质结（存在ENR时）会产生正向光电压，导致沟道发生去掺杂，电导率降低。
基于这一原理，通过记录不同ENR浓度下的脉冲电流（图4d），可以实现对ENR的定量分析。结果显示，该方法在100 ag/mL至10 pg/mL的浓度范围内表现出良好的线性关系，检出限低至100 ag/mL（图4e）。此外，选择性实验（图4f）表明，该传感器对ENR具有良好的特异性，不受其他常见抗生素的干扰。
*图4 a) 不同恩诺沙星（ENR）浓度下的迟滞特性。b) COF和COF/CdS门控的OPECmT在黑暗和光照下的离子迁移示意图。c) 相应的电势分布图。d) 对应不同ENR浓度的脉冲。e) ENR测定的校准曲线 (n=3)。f) 对干扰样品（CAP、TC、NFX和TOB）为10 pg/mL的生物检测选择性研究 (n=3, p<0.05)。
总结与展望
本文成功提出并验证了一种高能效的有机光电化学忆阻晶体管（OPECmT）生物检测新模式。该研究的主要创新点和未来展望如下：
创新点：
- 1. 新颖的操作模式：首次将忆阻晶体管的特性引入OPECT，提出了OPECmT生物检测模式，通过脉冲电压操作替代了传统的连续电压操作。
- 2. 显著的节能效果：与传统OPECT相比，OPECmT的能耗降低了两个数量级，有效解决了生物传感设备在连续监测应用中的高能耗问题。
- 3. 高性能传感：该方法实现了对抗生素恩诺沙星的超灵敏检测（检出限100 ag/mL），同时保持了极低的能耗（10⁻⁷ J量级），兼具高性能与高效率。
- 4. 巧妙的门极设计：利用目标物诱导原位生成COF/CdS异质结作为光电门极，构建了一种新颖的信号转换机制，实现了对目标的特异性响应。
未来展望：
- 1. 拓展应用范围：OPECmT作为一个通用平台，未来可通过设计不同的生物识别元件，将其应用于更多类型生物标志物（如蛋白质、核酸等）的检测。
- 2. 器件集成与小型化：进一步推动OPECmT器件的小型化和阵列化，有望开发出便携式、可穿戴的即时诊断（POCT）设备。
- 3. 材料体系优化：探索更多新型光敏材料（如其他COFs、量子点、钙钛矿等）作为光电门极，有望进一步提升器件的光响应性、稳定性或实现多波长检测等功能。
- 4. 实际样品分析：在更复杂的实际生物样品（如血清、牛奶、尿液）中验证传感器的性能，是推动其走向实际应用的关键一步。
