50%拉伸、50天稳定工作！Science Advances案例中的无掩膜光刻系统，加速可拉伸OFET生物传感器电极图案化

发布日期：2026-11-13

导语：

近日，斯坦福大学鲍哲南院士团队在《Science Advances》发表重要研究成果，题为“Biofunctionalized polymer semiconductors toward soft and stretchable transistor-based biosensors”。该工作攻克了长期困扰柔性生物电子领域的核心难题：可拉伸聚合物半导体难以在保持电学性能的前提下实现稳定生物功能化，首次提出基于相选择性点击化学的修饰策略，并利用小型台式无掩膜直写光刻系统-MicroWriter ML3成功制备出兼具高拉伸性、长期液相稳定性与皮摩尔级检测灵敏度的电解质栅有机场效应晶体管生物传感器。该成果为可穿戴无创生化监测、植入式医疗设备与电子皮肤技术提供了关键材料与器件方案，标志着柔性生物电子向实用化迈出了重要一步。

器件研发中的光刻问题：

在有机场效应晶体管（OFET）、生物传感器、柔性电子等科研器件开发中，光刻常是影响迭代速度的关键环节：

• 掩膜版周期长、成本高：每改一次电极形状、沟道尺寸或阵列排布，就可能需要重新制作掩膜版；

• 小批量、多版本实验不经济：科研阶段通常只需几片到几十片样品，传统掩膜光刻的摊薄成本高；

• 异形电极、多指电极、阵列图案频繁改版：生物传感器常需要多路阵列、共形贴附、异形布局；

• 工艺需要可复现：曝光、显影、蒸镀、剥离等步骤需稳定可控。

小型台式无掩膜直写光刻系统-MicroWriter ML3，无需掩膜版，直写软件操作简便，支持小批量快速改版；经市场充分验证，具有良好的稳定性（国内装机近 300 台，用户发表 Nature 正刊论文不少于 10 篇），非常适合科研级微纳图案化验证。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

案例进展：相选择性点击化学，让半导体与生物分子 “各司其职”

鲍哲南院士团队提出：将导电功能与生物修饰功能在相尺度上分离，让半导体相负责载流子输运，弹性体相负责力学承载与生物分子接枝，从根源上避免修饰反应损伤半导体性能。

研究选用经典的 DPPTT 共轭聚合物半导体与弹性体构建互穿聚合物网络（IPN）。该体系本身已被证实具备优异的拉伸性能：弹性体连续相提供形变能力与力学韧性，半导体相形成贯穿的导电通路，即便在大应变下也能维持稳定的电荷传输。而本次工作的核心创新，在于利用两相化学性质的差异，实现了精准的相选择性生物功能化。

团队采用硫醇 - 烯点击化学反应：弹性体组分中含有可反应的双键基团，而共轭半导体主链不参与该反应。将巯基修饰的生物识别分子（如皮质醇特异性适体）与器件表面反应时，生物分子只会通过共价键接枝在弹性体区域，半导体导电通路全程不参与化学反应，共轭结构与载流子迁移率几乎不受影响。

聚合物半导体（PSCs）的生物功能化策略示意图

(A) 巯基化适体通过硫醇 - 烯点击反应，对聚噻吩并 [3,2-b] 噻吩 - 二酮吡咯并吡咯（DPPTT）/ 全氟苯基叠氮封端聚丁二烯（BA）互穿聚合物网络进行共价功能化示意图。

(B) 柔性可拉伸电解质栅有机场效应晶体管（EG-OFET）示意图。

(C) 贴附于指尖、类皮肤共形贴合的 EG-OFET 生物传感器实物照片。

与传统方案相比，该策略具备三大核心优势：

• 电学无损。生物修饰全程不改变半导体分子结构，晶体管迁移率、开关比等核心参数保持原有水平，解决了 “一修饰就失效” 的行业痛点；

• 结合稳定。生物分子通过共价键固定在聚合物网络中，而非物理吸附，耐液体浸泡、耐机械拉伸，长期工作不易脱落；

• 可图案化。结合光刻工艺，该修饰方法可实现最小10微米分辨率的生物分子图案化，为制备多指标传感阵列、实现高通量检测提供了工艺基础。

【性能验证：兼具拉伸性、稳定性与超高灵敏度】

基于上述生物功能化可拉伸半导体，研究团队构建了电解质栅有机场效应晶体管（EG-OFET）生物传感器，并对力学、电学与传感性能进行了系统验证。

柔性可拉伸电解质栅 EG-OFET 器件

(A) 修饰适体半导体薄膜的 EG-OFET 器件示意图。适体功能化 DPPTT/BA 半导体沟道、源 / 漏电极以及侧栅直接与缓冲液接触。

(B) 制备完成的柔性可拉伸 EG-OFET 实物照片。

(C) 沿沟道方向施加 0、25%、50% 机械应变时，适体功能化 EG-OFET 的转移特性曲线；测试条件：VDS=-0.4V。

(D) EG-OFET 中金电极在 0% 应变（上图）与 50% 应变（下图）下的显微镜图像。

(E) 50% 应变条件下，适体功能化 DPPTT/BA 薄膜的原子力显微镜模量成像图。

(F) 柔性 EG-OFET 拉伸至 50% 过程中的开态电流变化。数据为平均值，误差棒代表 5 个器件的标准差（SD）。

(G) 浸泡于缓冲液中的适体功能化 EG-OFET 开态电流随时间变化曲线，器件浸泡时长 50 天。数据为平均值，误差棒代表 3 个器件的标准差（SD）。

刚性电解质栅有机场效应晶体管（EG-OFET）采用 Si/SiO₂（300 nm）基底，随后按照前述方法制备 DPPTT/BA 薄膜并完成适体功能化。接着旋涂 AZ 1512光刻胶，随后使用高（精）快（速）好（用）稳（定）的小型台式无掩膜直写光刻系统-MicroWriter ML3对样品曝光，再置于MF319显影液中显影，去离子水冲洗，氮气吹干。利用电子束蒸发设备沉积金电极，在丙酮中进行剥离工艺。

在力学性能方面，器件可承受最高 50% 的单轴拉伸应变，经过百次循环拉伸后，沟道迁移率无显著衰减，生物识别层也未出现脱落与性能下降。这一性能足以适配人体皮肤运动的形变需求，为贴肤穿戴提供了力学基础。

在稳定性测试中，器件在模拟生理环境的缓冲溶液中连续工作超过 50 天，传感响应幅度与特异性均保持稳定。这一数据远超多数同类有机生物传感器，主要得益于共价接枝的生物分子层以及互穿网络优异的耐液相稳定性。

在传感性能上，研究以人体压力激素皮质醇为检测靶标进行验证。皮质醇与人体应激反应、内分泌调节、睡眠代谢密切相关，传统检测依赖抽血化验，无法实现连续无创监测。实验结果显示，该晶体管传感器对皮质醇的检测下限达到皮摩尔（pM）级别，可完全覆盖人体汗液与间质液中的生理浓度区间；同时具备优异的分子特异性，对结构相似的干扰物响应极低，有效避免误检。

研究进一步解释了高灵敏度的来源：电解质栅晶体管本身具备双电层电容放大效应，适体与皮质醇结合后，会改变沟道界面的电荷分布与双电层结构，进而引发沟道电导的显著变化，实现 “生物结合事件” 到 “电信号” 的高增益转换。这也是晶体管型传感器相较于普通电化学传感器的核心优势。

【应用探索：从压力监测到电子皮肤，解锁无创健康新场景】

这项技术的突破，为多个医疗与健康场景打开了新的想象空间。

最直接的应用是可穿戴无创激素监测。将该传感器集成于柔性贴片之中，贴附于皮肤表面，即可通过汗液或皮肤间质液实现皮质醇的连续、动态监测。用户无需采血，便可全天候掌握自身压力激素水平，对焦虑状态评估、内分泌疾病管理、运动疲劳监测都具有重要价值。

其次，该材料体系具备良好的生物相容性与力学适配性，未来可拓展至植入式体内传感。例如植入体内的药物浓度监测传感器、肿瘤标志物实时检测设备等，柔软的器件界面可减少对人体组织的刺激与炎症反应，大幅提升植入设备的长期安全性。

更长远来看，基于该修饰策略的可图案化特性，可在同一块柔性基底上制备多路传感阵列，每一路修饰不同的生物识别分子，同时检测皮质醇、葡萄糖、乳酸、尿酸等多种生化指标，形成真正意义上的 “多参数电子皮肤”。配合无线读出电路与算法分析，有望构建完整的人体生化代谢动态监测系统，推动可穿戴设备从 “体征记录” 向 “健康诊断” 升级。

此外，该相选择性修饰策略具备较强的普适性，不仅适用于皮质醇适体，也可拓展至抗体、多肽、核酸适配体等各类生物识别分子，适配不同的检测靶标。这意味着该技术平台可以快速迁移至其他疾病标志物检测场景，具备广阔的产业化延伸空间。

【结论】

这项工作的核心贡献，不仅在于实现了一款高性能的皮质醇传感器，更在于提出了一套普适的可拉伸聚合物半导体生物功能化技术范式。它打破了 “生物修饰必然损伤半导体性能” 的固有认知，通过多相分工的材料设计思路，同时满足了柔性电子对力学、电学与生物功能的多重要求，为下一代无创生化可穿戴设备筑牢了材料根基。随着柔性电子与生命科学的深度交叉，未来的健康监测将不再局限于医院与体检中心，而是融入日常穿戴、实现全天候、无创、多指标的动态管理。从智能手环到电子皮肤，从物理体征到生化指标，这项研究成果，正让这一未来图景变得更加清晰可及。

在该研究中，MicroWriter ML3 作为台式无掩膜直写光刻工具，完成了刚性 EG-OFET 制备中的光刻胶曝光，为可拉伸 OFET 生物传感器的电极图案化和阵列化探索提供高效的科研级图案化手段。

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