基于二酮吡咯并吡咯聚合物的高稳定性水相有机场效应晶体管及其在生物传感平台中的应用

《Advanced Materials Technologies》：High Stability of Diketopyrrolopyrrole Polymer Transistors Under Aqueous Condition Toward Biosensing Platform

本文系统研究了基于二酮吡咯并吡咯（DPP）的有机场效应晶体管（OFET）在常温和水相环境下的高稳定性性能，提出了一种可扩展的片上实验室制备策略。通过优化聚合物沉积（旋涂与点胶）、介电层选择（OTS自组装单分子层与聚对二甲苯）及器件工程，实现了均匀可重复的电学性能。制备的OFET在水和磷酸盐缓冲液（PBS）中表现出优异的操作稳定性，输出电流高、转移滞后低、批次一致性强，且全程在常温环境下制备，无需控氧控湿，具备大规模制造兼容性。器件在水中和PBS中可持续工作1小时，信号漂移极小。通过光电子能谱（PESA）、紫外-可见光谱（UV–vis）、X射线衍射（XRD）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）对水浸DPP薄膜进行全面表征，证实材料稳健性。多巴胺实时检测实验的检测限达1 pm，展现了其在生物传感中的可行性。DPP基有机半导体是稳健水相OFET即时检测（POCT）技术的理想候选材料。

　　

引言

有机半导体在生物传感技术中具有分子可设计性、溶液可加工性、柔性基底印刷等优势。有机场效应晶体管（OFET）因高灵敏度、便携性和低成本成为生物传感的理想平台。二酮吡咯并吡咯（DPP）基共轭聚合物具有给体-受体（D–A）结构，赋予其高电荷迁移率和稳定性，但其在水环境中的应用尚未系统研究。本文首次报道了DPP基OFET在常温和水相条件下的高稳定性性能，致力于推动其在即时检测（POCT）生物传感平台中的应用。

OFET设计与常温表征

为优化OFET在水相环境中的性能，研究聚焦于三个关键指标：高输出电流、低转移滞后和批量一致性。采用底栅顶接触（BGTC）结构，对比旋涂与点胶两种薄膜沉积技术。点胶法在特氟隆池中沉积DPP4T聚合物，形成115 nm厚均匀薄膜，优于旋涂法的12 nm厚度，器件成品率高达95%（144个通道中137个有效）。点胶法制备的器件输出电流达1.3 μ^A，是旋涂器件的4倍，且滞后现象显著降低。介电层优化方面，聚对二甲苯替代传统的十八烷基三甲氧基硅烷（OTS）自组装单分子层，有效减少电荷陷阱，提升界面稳定性，器件阈值电压（V_th）和空穴迁移率一致性更高。

水相环境下的OFET性能

器件在水和PBS中持续工作50-60分钟，输出电流仅下降10%，空穴迁移率保持约0.03 cm²/V·s，开关比达10⁴。信号漂移率极低（输出电流漂移率最高53.57 pA/s，ΔI_D/I₀仅0.009%/s），远低于同类液相传感器。阈值电压（V_th）负向漂移率仅0.28 mV/s，表明器件具有优异的水相稳定性。实时监测显示，在PBS中连续循环测试100次，I_sat、V_th和迁移率参数在5分钟内趋于饱和，满足实时检测需求。

共轭聚合物薄膜表征

通过原子力显微镜（AFM）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV–vis）、光电子能谱（PESA）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）对水浸后的DPP4T薄膜进行多维度分析。AFM显示薄膜表面纳米孔结构在50分钟内无显著变化，6小时后出现轻微溶胀但粗糙度降低。XRD证实（100）和（200）衍射峰位置和强度不变，分子堆积和π–π堆叠距离保持稳定。PESA显示最高占据分子轨道（HOMO）能级仅从5.31 eV升至5.39 eV，变化轻微。ToF-SIMS深度剖析表明DPP4T/聚对二甲苯/SiO₂基底的离子碎片信号在12小时水浸后未变，证实材料界面稳定性。

多巴胺液相检测研究

基于DPP4T聚合物与胺基化合物的相互作用机制，器件用于多巴胺检测。在PBS中，多巴胺浓度在1 p^m–1 μ^m范围内，输出电流变化（ΔI_ds）与浓度对数呈线性关系（R²= 0.96），灵敏度为0.055 μA/十倍浓度。阈值电压变化（ΔV_th）在10^?6–10^?10m范围内线性相关（R²= 0.85）。循环伏安法（CV）显示多巴胺在DPP4T修饰电极上产生特征氧化还原峰（0.13 V），证实检测机制为聚合物-分析物界面电子转移而非直接氧化还原。

结论

本研究成功制备了高稳定性DPP4T基OFET，通过点胶沉积和聚对二甲苯介电层优化，实现了批量一致性高、水相稳定性强的器件性能。器件在水和PBS中长时间工作信号漂移极小，多巴胺检测限达p^m级，为液相生物传感提供了可靠平台。材料表征全面证实了DPP4T薄膜的水相稳健性，推动了有机半导体在POCT技术中的应用前景。