既能芯片式集成，又能讀出人體分子，鮑哲南團隊發布柔性電子成果

人體是軟的，但電子器件大多是硬的。

這是柔性電子領域長期面對的矛盾。皮膚會拉伸，肌肉會運動，腦組織和器官更是柔軟而復雜的；但傳統芯片、晶體管和傳感器，往往建立在硅、金屬氧化物等硬材料之上。它們性能強、工藝成熟，卻很難真正貼合人體。

過去幾年，趙傳真博士圍繞這個矛盾開展了一系列研究。

本科期間，他跟隨北京理工大學鐘海政教授開展量子點相關研究，并將其用于癌癥細胞標記等生物醫學應用；后來，他前往加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）讀博，開始制備微納器件，將其用于生物傳感，并開展了可穿戴傳感器的研究；進入斯坦福大學鮑哲南團隊后，他開始把此前積累的生物傳感經驗，進一步帶入柔性、可拉伸電子體系。

在斯坦福期間，他的研究工作圍繞材料界面工程、器件物理穩定性以及微納加工工藝三個維度系統展開，旨在推動柔性生物化學傳感器在精準醫療與可穿戴健康監測中的實際應用。

最近，他主導的兩項研究分別發表于 Science Advances 和 Device。兩項工作看似方向不同：一篇解決軟晶體管如何識別生物分子，另一篇解決可拉伸晶體管如何高密度制造。但放在一起看，它們其實指向同一個目標：讓柔軟電子既能感知人體分子，又能像芯片一樣走向集成。

趙傳真將于明年年初前往多倫多大學，擔任終身軌助理教授（Tenured-Tracked Assistant Professor）。研究方向將延續并深化當前主線，即圍繞生物界面、材料界面和信號界面三個維度，構建與人體在電化學分子層面交互的集成系統。

讓可拉伸電子器件讀懂人體分子語言

2022 年，還在 UCLA 讀博的趙傳真及團隊研發了一種新型可穿戴生物傳感器，首次直接在人體汗液中實時檢測到皮質醇。

皮質醇常被稱為“壓力激素”，和人體壓力反應、晝夜節律、代謝狀態等有關。但皮質醇在汗液中的濃度很低，汗液成分又復雜，直接檢測并不容易。

當時，他們的研究思路是，把 DNA 適配體和納米晶體管結合起來。DNA 適配體識別并結合皮質醇后，自身構型會發生變化，這種變化會進一步影響晶體管表面的電勢。晶體管的作用，就是把這種微弱變化放大，轉化成可讀出的電信號。

那項工作的重要意義在于，團隊首次直接在汗液中測到了皮質醇，并把便攜式皮質醇傳感器的檢測能力提升了兩個數量級。不過，那一代傳感器仍然主要基于納米尺度的準二維氧化物半導體晶體管。它的優勢是性能好、信號放大能力強；但從材料形態看，它仍然偏硬。

“我們之前用的是硅基或者金屬氧化物半導體，這些材料性能很好，但還是偏硬。”他說，“如果貼在皮膚上，人體一運動就會有干擾；如果植入體內，也可能產生免疫反應。”

因此，問題變成了不僅要測得到，還要戴得住、貼得穩，最好還能長期工作。這正是 Science Advances 這篇工作想解決的問題：他們把 DNA 適配體接入一種柔軟、可拉伸的聚合物半導體體系，讓柔性可拉伸晶體管生物傳感器具備識別皮質醇的能力。

圖 | 貼合于指尖的生物傳感器（來源：Science Advances）

在傳統金屬氧化物半導體體系中，材料表面通常比較容易修飾，可以通過成熟的表面化學方法接上適配體、抗體等生物識別元件。但聚合物半導體不同，它依靠共軛骨架傳輸電荷，如果為了接生物分子而強行引入羥基、羧基等官能團，可能會形成電荷陷阱，損害遷移率。

另一種方法是物理吸附，比如通過 π-π 堆積等非共價作用，把識別分子放到半導體表面。但這種方式不夠牢固，在汗液、體液或長期工作環境中，分子容易脫落，信號也會變得不穩定。

鮑哲南團隊采用了一個更巧的辦法：不直接動負責導電的半導體，而是在旁邊的彈性體上安裝識別分子。

他們構建的是一種聚合物半導體和彈性體共混的網絡結構。半導體負責傳輸電荷，彈性體負責提供柔軟性和可拉伸性。兩者在納米尺度上相互交織，距離很近。

在這個體系里，團隊通過巰基-烯點擊化學反應，將帶有巰基的 DNA 適配體共價接枝到彈性體部分，而不是接到共軛半導體骨架上。這樣一來，導電通道盡量不被破壞；同時，由于彈性體和半導體靠得足夠近，適配體識別皮質醇后帶來的局部電勢變化，仍然可以影響半導體中的電荷傳輸，并被晶體管讀出。

趙傳真把這個設計稱為“解耦”。“我們想做的是，把生物功能化和電荷傳輸分開。”他說，“適配體接在彈性體上，半導體本身保持不動，但兩者在納米尺度上離得很近，所以適配體產生的電勢變化仍然能影響半導體的電學性質。”

這個設計的好處很直接。第一，半導體的導電骨架沒有被破壞，電學性能能盡量保留；第二，適配體通過共價鍵固定，比物理吸附更穩定；第三，彈性體本身提供了可拉伸性，讓整個器件更接近皮膚或軟組織的力學特性。

“相當于一箭三雕。”趙傳真說，“既有生物選擇性，又保持了電學性能，同時還賦予它可拉伸的力學性質。”

從數據上看，這種設計也確實帶來了幾個關鍵結果。首先，適配體修飾后的傳感器仍保持了較好的電學性能；其次，這套傳感器實現了皮摩爾級別的皮質醇檢測；更重要的是穩定性。論文顯示，這類傳感器在液體環境中可維持約 50 天工作能力，并能在 50% 拉伸應變下穩定運行。

不過，趙傳真也強調，在緩沖液中穩定工作并不等于已經解決了在人體內長期使用的問題。

“人體環境比緩沖液復雜得多。”他說，“會有蛋白吸附、酶的攻擊，也會有細胞反應。對分子傳感來說，如果表面被堵住了，目標分子擴散不進來，就測不到信號。”

也就是說，柔性可拉伸晶體管傳感器真正進入人體，還需要繼續解決生物污染、界面保護和長期漂移等問題。

這篇文章的共同第一作者，Qianhe Liu, 是斯坦福大學化工系的博士生，也是這篇工作的主要貢獻者。

讓柔性器件像傳統芯片一樣量產集成

如果 Science Advances 這篇論文解決的是可拉伸晶體管生物傳感器怎么識別生物分子，那么發表于 Device 的另一項研究，則解決的是可拉伸晶體管怎么被高密度制造出來。

這是柔性電子走向實用的另一個關鍵問題。

過去很多可拉伸電子器件，更像實驗室里的手工樣品。研究人員可以做出一個性能不錯的晶體管，也可以做出小規模陣列，但要像傳統芯片一樣高密度、可重復、可集成地制造，就會遇到很多麻煩。原因在于，有機聚合物材料和傳統芯片工藝并不天然兼容。

硅基芯片可以承受很多溶劑、高溫和等離子體刻蝕，因此可以在潔凈間里一層層加工。但聚合物半導體往往怕溶劑、怕等離子體、怕強刻蝕。上一層剛做好，下一步工藝中的溶劑可能就會讓它溶脹、損傷，甚至直接洗掉。

因此，許多柔性器件過去依賴于手工掩模。簡單說，就是用帶孔的金屬模板蓋在材料上，通過遮擋來形成圖案。這種方法比較溫和，但缺點明顯：需要人工對準，精度有限，通常只能做到 100 微米量級。

“我們之前很多工藝還是靠手動對準。”趙傳真說，“如果想把器件做到 10 微米，甚至 2 微米左右，就必須開發一套新的、和全柔性體系兼容的工藝。”

為了解決這個問題，團隊的思路不是繼續沿用手工掩膜，而是把可拉伸晶體管的制備盡量拉回到潔凈間工藝中。

首先，他們使用可交聯的聚合物半導體材料。經過交聯后，原本容易被溶劑破壞的半導體薄膜會形成更穩定的網絡結構，可以承受后續光刻過程中接觸到的有機溶劑。

其次，團隊沒有直接在半導體上刻圖案，而是在半導體上方先做一層保護層，再對保護層進行圖形化。之后，通過這層保護層把圖案轉移到下方半導體中。這樣既能利用光刻工藝提高精度，又能減少對半導體性能的損傷。

在這項研究中，團隊建立了一套單片制造平臺，把可拉伸晶體管的特征尺寸從約 100 微米推進到約 2 微米，提升約 50 倍。同時，團隊實現了每平方厘米約 55,000 個可拉伸晶體管的集成密度。

（來源：Device）

這意味著，同樣面積下，可以放入更多晶體管。晶體管數量越多，未來就越有可能在軟電子系統里實現更復雜的功能，而不只是簡單測一個信號。

更重要的是，這套工藝不只適用于單一種類的半導體材料。它可以兼容 p 型和 n 型聚合物半導體，從而進一步實現互補電路。

在傳統芯片中，p 型和 n 型晶體管的組合是 CMOS 電路的基礎。對可拉伸電子來說，能同時集成這兩類晶體管，意味著它不再只是簡單的傳感陣列，而可以開始構建更復雜、更低功耗、更高增益的電路。

這篇工作的第一作者袁雨嘉，現在是斯坦福大學電子工程系的博士生，正在繼續將柔性電路的應用擴展到機器人觸覺和可穿戴設備上。

下一代可穿戴不僅看心跳，更要讀懂你的化學信號

事實上，在這兩個工作之前，趙傳真還在 2025 年發表過一項工作，重點解決柔性生物傳感器中的信號漂移問題。

柔性有機晶體管雖然適合貼近皮膚，但也更容易受到彎曲、拉伸、濕度、溫度變化等影響。對于生物傳感器來說，這些干擾可能會讓信號慢慢漂移，甚至蓋過真正的分子響應。

在那項發表于 Nature Electronics 的研究中，趙傳真及合作者提出了一種基于“二極管連接有機場效應晶體管”的皮膚式生物傳感器。簡單來說，他們用一個工作傳感器和一個參考傳感器同時測量，然后相減抵消掉溫度、拉伸、電壓漂移等環境干擾，實現了像皮膚一樣柔軟、可拉伸、且長時間監測不漂移的生物傳感器，并成功在人體汗液中實時追蹤了皮質醇的變化。

（來源：Nature Electronics）

這項工作也讓趙傳真更加明確了自己的研究方向：柔性電子真正要解決的，不只是把器件做軟，也不只是把某一種分子測出來，而是要在復雜、動態的人體環境中，長期穩定地讀出生化信號。

“現在大部分可穿戴設備測的是溫度、壓力、應變這些物理信號。”他說，“我更想做的是化學分子級別的交互。”

這種交互面向的是更深層的人體信息。比如皮質醇反映應激狀態，褪黑素和晝夜節律有關，多巴胺、血清素等神經遞質則與情緒、動機、獎賞機制和神經精神疾病相關。如果能長期、穩定、連續地監測這些分子變化，未來可能為慢性疾病管理、心理健康評估、藥物療效監測提供新的工具。

但從論文到應用，還有不少難題。趙傳真認為，至少有三類問題有待解決。

第一是生物污染。傳感器表面進入真實人體環境后，會遇到蛋白吸附、細胞沉積、酶降解等問題。如果敏感界面被覆蓋，目標分子進不來，傳感器就會失效。

第二是信號漂移。有機柔性器件本身會漂移，拉伸和形變也會改變器件參數。對弱分子信號來說，這種漂移會嚴重影響讀數。因此，需要在器件端做差分、放大和校正。

第三是力學匹配。相比硅基或金屬氧化物材料，柔性聚合物已經軟很多，但和腦組織等真實軟組織相比，仍然存在差距。材料越軟，植入和封裝又會帶來新的工程問題。

這也是趙傳真接下來獨立建組后想繼續推進的方向。未來，他希望繼續圍繞三個界面展開：生物識別界面、材料界面和信號界面。在生物識別界面上，提升適配體等分子探針的長期穩定性和可再生能力；在材料界面上，推進更低模量、更高生物相容性的柔性半導體材料；在信號界面上，利用高密度電路集成能力，探索原位信號處理、原位放大，甚至基于電化學信號的類腦計算。

1.https://www.czzhao.com/

2.Zhao, C., Park, J., Maulà, D. et al. Skin-like drift-free biosensors with stretchable diode-connected organic field-effect transistors. Nat Electron 8, 981–993 (2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01465-4

3.Yuan et al., A monolithic fabrication platform for intrinsically stretchable polymer transistors and complementary circuits, Device (2026), https://doi.org/10.1016/j.device.2026.101204

4.Zhao, Chen, et al. Biofunctionalized Polymer Semiconductors Toward Soft and Stretchable Transistor-Based Biosensors.Science Advances（2026）,https://doi.org/10.1126/sciadv.aec2641.

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