[论文解读] Organic Electronics in Biosensing: A Promising Frontier for Medical and Environmental Applications

Jyoti Kaushal, Pratima Raut+1 more|PubMed|Sep 27, 2023

Conducting polymers and applications参考文献 179被引用 6

一句话总结

本综述探讨了有机电子学作为生物传感的变革性平台，利用导电聚合物和柔性器件实现对生物分子及环境污染物的高灵敏度、实时、无标记检测。重点介绍了其在可穿戴诊断、植入式传感器和物联网集成系统中的应用，强调了生物相容性、可调材料和可扩展制造工艺在个性化医疗和环境监测中的优势。

ABSTRACT

The promising field of organic electronics has ushered in a new era of biosensing technology, thus offering a promising frontier for applications in both medical diagnostics and environmental monitoring. This review paper provides a comprehensive overview of organic electronics' remarkable progress and potential in biosensing applications. It explores the multifaceted aspects of organic materials and devices, thereby highlighting their unique advantages, such as flexibility, biocompatibility, and low-cost fabrication. The paper delves into the diverse range of biosensors enabled by organic electronics, including electrochemical, optical, piezoelectric, and thermal sensors, thus showcasing their versatility in detecting biomolecules, pathogens, and environmental pollutants. Furthermore, integrating organic biosensors into wearable devices and the Internet of Things (IoT) ecosystem is discussed, wherein they offer real-time, remote, and personalized monitoring solutions. The review also addresses the current challenges and future prospects of organic biosensing, thus emphasizing the potential for breakthroughs in personalized medicine, environmental sustainability, and the advancement of human health and well-being.

研究动机与目标

• 提供有机电子学在生物传感领域用于医疗和环境应用的全面概述。
• 分析有机材料（如柔性、生物相容性和低成本制造）相较于传统无机传感器的独特优势。
• 研究有机生物传感器与可穿戴设备及物联网（IoT）集成，以实现实时、远程的健康与环境监测。
• 识别生物相容性、稳定性、可扩展性和数据安全方面的关键挑战，并评估应对策略。
• 预测未来方向，包括人工智能集成的智能传感器、自校准系统以及可持续的能源收集设计。

提出的方法

• 系统性综述近期有机生物电子材料的进展，包括导电聚合物、有机场效应晶体管（OFETs）、有机电化学晶体管（OECTs）和有机光电探测器（OPDs）。
• 分析用于检测生物分子和污染物的电化学、光学、压电和热响应有机器件的传感机制。
• 评估喷墨打印、旋涂和卷对卷加工等制造技术在柔性生物传感器可扩展、低成本生产中的应用。
• 将有机生物传感器与无线通信模块及物联网平台集成，以实现实时、远程的数据传输与监测。
• 探索新兴概念，如动态采样、自校准、多模态传感器融合以及从环境源获取能量的技术。
• 评估可持续发展趋势，包括可降解材料的应用以及传感器设计与制造过程中环境影响的降低。

Figure 1: Chemical structure of commonly used conducting polymers: polyaniline (PANI), polypyrrole (PPy), polythiophene(PTs), polyacetylene, polyphenylene, and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT).

实验结果

研究问题

• RQ1 有机材料的本征特性（如生物相容性、柔性及可调导电性）相比无机材料如何提升生物传感性能？
• RQ2 哪些关键器件结构（如OFETs、OECTs、OPDs）能够实现对生物和化学分析物的高灵敏度、无标记检测？
• RQ3 有机生物传感器如何有效集成到可穿戴平台和物联网生态系统中，以实现持续、实时的健康与环境监测？
• RQ4 哪些主要技术与系统性挑战（如长期稳定性、可扩展性及数据隐私）限制了有机生物传感器在临床和环境中的部署？
• RQ5 未来创新（如人工智能驱动的决策、自校准和能量收集）将如何推动下一代智能生物传感平台的发展？

主要发现

• 通过化学或电化学掺杂，导电聚合物可实现电导率的可调性，从而通过载流子调制实现对生物分子的高灵敏度检测。
• 有机场效应晶体管（OFETs）和有机电化学晶体管（OECTs）在复杂生物液体中检测离子、代谢物和蛋白质方面表现出快速响应时间和高灵敏度。
• 柔性且可贴合的有机生物传感器可无缝集成于人体皮肤和组织，支持长期体内及可穿戴健康监测应用。
• 将有机生物传感器与物联网平台集成，可实现实时、远程、个性化的生理与环境参数监测，提升远程医疗与预防性护理水平。
• 新兴趋势如自校准传感器、动态采样和多模态传感器融合可提高生物传感系统的准确性、可靠性和能效。
• 可持续设计方法（如使用可降解材料和能量收集技术）在降低环境影响及支持低资源环境下的部署方面展现出巨大潜力。

Figure 2: Chemical structures of organic semiconductors (a) $\pi$ -conjugated small molecular families based semiconductors, and (b) polymer-based semiconductors.