北京大学雷霆课题组《自然·通讯》：通过单组分高自旋共轭聚合物实现原位生物信号放大

双极性有机电化学晶体管（OECTs）：生物电子学的前沿探索

原位生物信号传输与放大技术在提升信号质量、减少冗余数据传输及增强系统集成能力方面具有重要意义。然而，现有双极性OECT材料性能及稳定性仍存在瓶颈，限制了其在原位生物信号放大中的应用潜力。更为关键的是，针对设计具有平衡、高效且稳定双极性OECT材料的策略尚未明晰。

针对这一科学难题，北京大学雷霆课题组提出了一种普适且高效的策略，通过理论计算和材料设计相结合，成功开发出新型高自旋共轭聚合物P(TII-2FT)，实现了性能优越，平衡且稳定的双极性OECT材料，并将其应用于原位生物信号放大。相关研究成果以《On-site biosignal amplification using a single high-spin conjugated polymer》为题发表在《Nature Communications》（Nat. Commun. 2025, 16, 396）。

图1. 使用高自旋聚合物进行原位生物信号放大的示意图。（a）用于捕获和放大小鼠脑皮层电图（ECoG）的柔性OECT传感器阵列示意图；（b）基于共面垂直OECT（vOECT）结构的微型信号放大器及相应电路图；（c）本文所用器件的层状结构图；（d）本研究中使用的三种高自旋聚合物P(TII-T)、P(TII-2FT)和P(TII-2ClT)的化学结构

突破性材料设计与优异性能

研究人员基于理论计算，设计并合成了高自旋聚合物P(TII-2FT)。这一材料展现出以下核心优势：

1.平衡且卓越的双极性性能：在p型和n型工作模式下，其μC*值分别达158.6 F cm^-1 V^-1 s^-1和147.4 F cm^-1 V^-1 s^-1，性能提升达5至20倍。

2.优异的操作稳定性：在超过1000次开关循环后，电流变化低于6%，展现出优异的稳定性。

3.超高增益和灵活集成：基于P(TII-2FT)的放大器实现了高达800 V/V的增益，同时兼具小型化和柔性设计。

研究发现，高自旋聚合物通过其特有的芳香-醌式共振结构，能够在掺杂状态下保持分子骨架平面性，促进电荷的高效输运。此外，通过引入氟和氯等功能基团，进一步优化了材料的HOMO/LUMO能级，实现了平衡的空穴与电子注入。

图2. OECT器件和逻辑电路的制作与表征。基于P(TII-2FT)的（a）转移特征曲线和（b）输出特征曲线；P(TII-2FT)在（c）p型和（d）n型工作状态下的瞬态响应行为；（e）OECT器件在1000次开关循环下的操作稳定性；该类聚合物与一些先进的p型、n型和双极性OECT材料在（f）性能和（g）器件稳定性上的比较；（h）不同类型反相器的增益和支持电压关系的比较；（i）基于P(TII-2FT)的NOR门电路图和（j）电压输入输出行为；（k）贴附在手背上的具有300×300个反相器的柔性晶体管阵列；（l）反相器阵列的显微镜图像。

应用与成果：生物信号放大的新思路

基于P(TII-2FT)，雷霆课题组开发了多种柔性逻辑电路和放大器，并成功实现了人类心电图（ECG）、脑电图（EEG）及小鼠脑皮层电图（ECoG）等生物信号的高效捕获与放大。相关成果包括：

1.信号质量显著提升：放大后的信号信噪比（SNR）明显高于传统电极。

2.生物相容性与柔性设计：材料的优异生物相容性使其适用于复杂生物环境，柔性放大器可贴附在手指关节等部位进行动态信号检测。

3.实现单组分聚合物的原位放大：为柔性、多功能生物电子界面的开发提供了新路径。

图3. 基于P(TII-2FT)放大器的生物信号放大图。（a）对P(TII-2FT)薄膜进行细胞毒性测试；（b）小鼠成纤维细胞（L929）在P(TII-2FT)薄膜上的染色情况（活细胞：绿色荧光，死细胞：红色荧光）；（c）放大器对不同频率下正弦信号的动态响应；（d）用于检测（e）EEG信号和（f）ECG信号的vOECT放大器示意图；（g）原位ECoG信号检测图及器件连线示意图；（h）放大器阵列的显微镜图像；（i）附在指关节上的超薄柔性放大器阵列图；（j）通过金属电极或P(TII-2FT)放大器检测的活体皮层ECoG信号和时间频率分析图。

未来展望

此次研究不仅提供了一种设计高性能双极性OECT材料的新方法，还为基于聚合物的柔性生物电子器件开辟了新的可能。作者指出，这种单组分高自旋聚合物的成功应用将推动原位信号放大技术的广泛应用，并为下一代生物电子器件和智能医疗设备奠定基础。

北京大学博士后葛高阳和博士研究生徐劲草是该论文的共同第一作者，雷霆研究员是通讯作者。合作者包括北京大学吕世贤研究员、清华大学戴小川研究员等。

文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-55369-6.

通讯作者简介

雷霆，北京大学材料科学与工程学院长聘副教授，国家杰出青年基金获得者。目前已发表论文超过80篇，总引用超过15000余次，H因子58，相关研究成果被Science、Nature等期刊和国内外多家媒体进行了报道。近五年，以通讯作者发表学术论文30余篇，包括Science、Sci. Adv.、Nat. Commun.等。申请中国和国际专利12项，已获授权7项，部分专利成果已实现规模化生产。并与国内外多家公司开展了合作和产业化研究。

课题组主要从事有机高分子功能材料的设计合成、有机半导体器件、生物电子器件和柔性可穿戴设备等前沿研究，欢迎报考硕士、博士，申请联培研究生、科研助理和博士后，共同探索科学前沿。

课题组主页：
www.leigroup.cn