【引言】
坚固而灵活的可穿戴的电子产品近年来备受关注。受到巨大的潜在市场的驱动，作为最先进技术的一些概念产品有望进入我们的正常生活，从弯曲可折叠智能手机，可穿戴计算机眼镜到智能服装，用于监测实时身体状况。理想的智能服装应该基于与纺织品一起编织的柔性电子装置，这很难通过使用具有平面结构的传统电子装置来实现。因此，组装在柔性纤维上的电子器件，如基于纤维的太阳能电池，电化学超级电容器，薄膜晶体管和自供电能量转换装置等引起了研究人员越来越多的兴趣。如能将这些柔性轻质纤维器件与纺织纤维共同编织，就可以将其集成到漂亮的衣服中，以实现理想的可穿戴电子产品的功能。
有机薄膜晶体管（OTFT）已经在柔性电子产品，特别是显示器，存储器和传感器中找到了广泛的应用。有机电化学晶体管（OECTs）作为一种OTFTs，可以在液体电解质中工作并可灵敏的检测葡萄糖，尿酸（UA），多巴胺（DA），DNA，细菌，细胞等化学和生物物质。 OECT是一种电位型传感器，它对沟道或栅极的电位变化非常敏感。为了制备高性能的基于纤维的OECT，不仅是有机半导体沟道，器件的金属电极在细的纤维表面应具有良好的弯曲稳定性。沟道长度是由光纤上的源电极和漏电极之间的距离决定的，而电极材料需要具有足够高的导电率以使长而细的纤维电极上的电压降最小化，这在之前报道的纤维晶体管中没有得到实现。利于柔性织物的生物传感器在可穿戴电子设备中具有广阔且诱人的应用前景，然而由于器件制造中的种种困难，高性能织物生物传感器很少被报道。
【成果简介】
近日，香港理工大学严锋（FengYan）教授课题组和Li Li 教授（共同通讯作者）相关论文“FabricOrganic Electrochemical Transistors for Biosensors”发表在能源期刊Advanced Materials（影响因子：19.27）上。第一作者是严锋教授的博士生杨安能（Anneng Yang）。研究人员首先基于涂布在尼龙纤维上的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT：PSS）沟道以及金属电极实现了纤维上的OECT的制备。他们将具有Cr / Au / PEDOT：PSS/聚对二甲苯的多层结构的高导电性膜涂覆在纤维上并用作OECT的源极及漏极而PEDOT：PSS单层膜作为沟道。这些器件具有出色的弯曲稳定性，并成功用于各种化学和生物传感应用，具有高灵敏度和高选择性。使用常规织机将这些基于纤维的传感器与普通棉纱一起编织，在织造过程之后传感器的性能并没有任何下降，并获得了具有高性能的柔性且可拉伸的织物生物传感器。作为一种潜在的应用，柔性和可拉伸的织物生物传感器被集成到尿布中，通过手机远程控制，用于检测人造尿液中的葡萄糖浓度。同时实验结果证明了在可穿戴电子设备中使用织物设备而非平面设备的优点，主要体现在织物中的毛细作用，织物传感器在分析移动的水溶液时比平面装置显示更稳定的信号。这样一种织物传感器集成在尿布中，并可通过手机进行远程操作，将为人体的健康监护提供了方便而独特的平台。
【图文解析】
图1 a）具有Cr/Au/PEDOT：PSS/聚对二甲苯涂层的芯 – 壳导电尼龙纤维的设计。 b）芯壳导电尼龙纤维横截面的SEM图像。 c）包括Cr/Au，Cr/Au/PEDOT：PSS， PEDOT：PSS，Ti/Pt和Ti/Pt/PEDOT：PSS涂层纤维在内的五种导电纤维的电阻与弯曲时间。 d）在1000次弯曲试验之前和之后，Cr/Au和Cr/Au/PEDOT：PSS涂层纤维的照片。 e）Cr/Au的AFM图像和f）1000次弯曲试验之前和之后Cr/Au/PEDOT：PSS涂覆的纤维的AFM图像。（e）和（f）中的上行和下行分别用于高度和相位图像。
图2 a）用于OECT的功能化纤维沟道和栅极的制备过程。 b）不同直径的尼龙纤维照片：0.08,0.15,0.30和0.50毫米。 c）在（1）和之后（2）涂覆PEDOT：PSS层之前的纤维沟道的照片和（3）用一滴水的附着力证明其表面上的亲水性。 d）具有不同弯曲形状的纤维装置的照片：（1）直的，（2）中等弯曲和（3）大弯曲的纤维。 e）具有不同弯曲半径的基于纤维的OECT的转移特性。纤维直径为0.30毫米，VDS = 0.01 V.
为了展示它的实际应用，将织物OECT整合到尿布中，并用它来检测尿布吸收的人造尿液中的葡萄糖水平。尿布中的葡萄糖测试是一种方便的检查方法，可用于监控尿中与糖尿病有关的异常高的葡萄糖水平。另一方面，监测糖尿病患者或已经显示糖尿病前期症状的人，尤其是老年人的尿糖水平也很重要。该设备的特点是可通过蓝牙集成电路并使用智能手机进行监控。如图4e所示，该装置在人造尿液添加之前非常稳定。当20mL人造尿液滴落在尿布上时，通道电流显示出明显的响应，表明渗入尿布中的溶液连接了器件的沟道与栅极并引起栅极电压施加到通道上。然后在尿布上加入10mL葡萄糖溶液，导致装置的沟道电流明显下降。尿布中的平均葡萄糖浓度估计为3×10^-3mol，这是葡萄糖尿的阈值。在实际应用中，可以根据OECT的电流响应来估计葡萄糖的浓度。因此，通过使用OECT葡萄糖传感器可以方便地监测糖尿病患者的尿液。为了显示该装置的选择性，研究者还在人造尿液中加入了1×10^-3摩尔的尿酸，这在人尿液中是正常水平。我们可以发现尿酸的加入没有产生明显的器件响应。因此，尿液中的干扰物不会影响对葡萄糖的检测信号。
图3 a）在电解质中操作的基于纤维的OECT的示意图，其中两个双电层（EDL）都具有电压降。 b）纤维OECT的沟道电流响应和（c）对于添加不同浓度的葡萄糖（Glu）的相应的有效栅极电压变化。并包括UA，DA和AA在内的主要干扰物的测试。VDS和VG分别固定在0.01和0.6 V. 插图：在PBS溶液中测量的OECT的转移曲线（IDS对VG）。
图4 a）通过用棉纱编织纤维OECT器件来设计柔性织物OECT传感器。 b）用PVA保护纱线编织之前和之后的纤维照片。 c）在纤维上去除PVA之前和之后的织物装置。直的尼龙纤维装置（深色）嵌入织物中。 d）编织过程之前和之后OECT葡萄糖传感器的转移曲线。 e）织物葡萄糖传感器对添加不同浓度葡萄糖的电流响应。 f）集成在尿布中的织物葡萄糖传感器对添加人造尿液，3×10^-3 摩尔葡萄糖溶液和1×10^-3 摩尔尿酸溶液的电流响应。
考虑到实际测量条件，研究者在测量过程中多次弯曲和拉伸尿布，发现对器件性能的影响很小，表明尿布中纤维的相对运动不会改变器件性能。根据OECT的器件物理性质，OECT的性能可能受其栅极和沟道上的双电层以及栅极和沟道之间水溶液的离子电导的影响。根据研究者近期关于离子浓度的影响，人造尿液的离子电导率（离子浓度> 100×10^-3 mol）已足够高，因此，稳定的器件性能取决于液体在沟道与栅极区域的接触。在织物装置中，因为所有纤维都是亲水性的，所以由于毛细作用，液体可以被织物吸收，并且对OECT纤维具有完全覆盖，这是织物OECT的稳定性能的主要原因，即使当纤维之间具有相对运动，器件性能也不受影响。相反，集成在尿布中的平面OECT在弯曲测试中不能显示稳定的性能。对于平面装置，液体可以在其表面上流动并且可以改变沟道和栅极上的接触面积。另一方面，流动的液体可能会在栅极和沟通之间产生流动电势。因此，弯曲测试期间平面OECT的器件性能变得不稳定。以上结果表明，在动态水溶液分析中，织物OECT相比于平面器件具有明显的优势。显然，织物传感器可以方便地用于可穿戴电子系统中并用于分析许多其他体液，如汗液，唾液和眼泪。
总之，稳定而柔韧的纤维OECT生物传感器可成功的制造在尼龙纤维上。通过引入具有Cr/Au/PEDOT：PSS芯-壳结构的源极，漏极及栅极，所述器件显示出优异的弯曲稳定性，并且通过使用常规织机可以将其与普通棉纱编制在一起而保持性能不变。获得的织物OECT器件具有好的柔韧性和可拉伸性，并成功地用于检测尿布中所含的人造尿液的葡萄糖水平。该织物器件特别适用于可穿戴应用，因为体液等水溶液由于毛细作用可被织物吸收，从而导致OECT在不同弯曲状态下具有稳定的性能。为了进一步降低制造成本，研究者还可以在将来以更方便的沉积方法制备金属电极。这项研究为远程无线分析人体体液成分提供了一个很好的检测平台，并为实现多功能可穿戴健康监测系统铺平了道路。
该工作得到了中国香港研究资助局（RGC）（项目编号C5015-15G）和香港理工大学（项目编号1-ZVGH，G-SB07，G-YBJ0,1- ZVK1和G-UA4P）。
AnnengYang, Yuanzhe Li, Chenxiao Yang, Ying Fu, Naixiang Wang, Li Li, Feng Yan, Fabric Organic Electrochemical Transistors for Biosensors, Adv. Mater., 2018, DOI:10.1002/adma.201800051
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