基于双网络水凝胶的有机电化学晶体管通道的分子印迹用于葡萄糖检测

为日常血糖监测打造更聪明的传感器

葡萄糖，这种为我们身体提供能量的简单糖类，同时也是一项重要的健康信号。糖尿病和糖尿病前期患者越来越依赖小型传感器来跟踪血糖水平，避免频繁的指尖采血。本研究探索了一种可直接集成到微小电子开关中的新型柔性带电活性材料，目标是使未来的葡萄糖监测器在灵敏度上更高、对葡萄糖相较于其他糖类更具选择性，并更易于贴附在皮肤上佩戴。

喜欢水分的柔性电子开关

研究者把注意力放在有机电化学晶体管（OECT）上，这类电子元件在含盐的水性环境（如血液、汗液或唾液）中表现良好。不同于与液体隔离的传统硅芯片，这些晶体管采用柔软的导电聚合物通道，允许周围溶液中的离子进出。离子的这种运动会改变电流的传输难易，从而把表面发生的生物活动转换为可读的电子信号。用于该通道的一种常见材料是PEDOT:PSS，这是一种柔性、生物相容的聚合物，可被制成水分丰富、类似胶状的水凝胶。

教会凝胶识别葡萄糖

为了让柔性通道对葡萄糖作出特异性响应，团队借用了称为分子印迹的概念。在制备过程中，他们在凝胶中加入一种“受体”构件，这种构件易于与含有成对含氧基团的分子（例如糖类）发生结合。与此同时，他们将真实的葡萄糖作为暂时的客体添加进去。随着第二聚合物网络在PEDOT:PSS凝胶内部形成并交联，它围绕这些葡萄糖客体成形，产生了与葡萄糖在尺寸和键合模式上匹配的微小空腔。随后，用酸性溶液将葡萄糖洗出，留下一个布满葡萄糖形状口袋的海绵，这些口袋可以在葡萄糖再次出现时迅速捕获它们。

从结合事件到更强的电信号

当含葡萄糖的液体接触这种双网络水凝胶通道时，葡萄糖滑入印迹空腔并与受体基团发生反应，改变它们的电荷状态。这些局部的化学变化会影响PEDOT:PSS主链与电子及离子的交换能力，从而改变穿过晶体管的电流。作者首先确保凝胶在狭窄管道中均匀形成，以便其能良好附着在金电极上并具有一致的行为。随后他们比较了有葡萄糖模板和无模板的通道，测量晶体管电流响应如何随着广泛浓度范围内葡萄糖浓度的增加而变化。通过将数据拟合到描述分子占据结合位点的模型中，他们估算出葡萄糖与凝胶之间的有效“结合强度”。

在众多糖类中更清晰地识别葡萄糖

分子印迹通道展现出明显优势。其对葡萄糖的表观结合常数大约比未印迹凝胶高十倍，这意味着葡萄糖被捕获得更强且更高效。因此，晶体管对低浓度葡萄糖的响应在斜率上变得更陡，且其可可靠检测的最低浓度降至亚微摩尔级——远低于人体汗液中典型的葡萄糖水平。重要的是，凝胶的选择性也有所提高：在印迹材料中，葡萄糖相对于结构相近的果糖被优先识别的程度比在简单溶液中的同类化学体系高出约两个数量级。晶体管自身的放大特性有助于把这些化学差异放大成稳健的电信号，而无需额外的放大电路。

这对未来可穿戴健康设备的意义

对非专业读者而言，核心信息是：作者们把一种柔软、亲水的电子材料“教会”去“记住”葡萄糖，并将这种记忆直接接入到微小开关中。将分子印迹引入导电水凝胶并用作有机电化学晶体管的有源通道，带来了更强的葡萄糖结合、对其他糖类更好的区分能力以及适合汗液监测范围的更低检测限。尽管仍有挑战需要克服——例如处理真实体液中的干扰物质和确保长期稳定性——这项工作指向了未来可能实现的薄型、柔性的贴片式设备，通过轻触皮肤的智能凝胶读取微弱的电学变化来持续跟踪血糖水平。

引用: Kawamura, M., Tseng, A.C. & Sakata, T. Molecular imprinting in double-network-hydrogel-based organic electrochemical transistor channel for glucose sensing. npj Biosensing 3, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s44328-026-00093-y

关键词: 葡萄糖传感器, 可穿戴生物传感器, 有机电化学晶体管, 分子印迹, 水凝胶电子学