與傳統(tǒng)方法相比，有機電化學晶體管（OECT）作為最有前途的傳感技術(shù)之一，顯示出各種優(yōu)勢，包括超高靈敏度、低驅(qū)動電壓和優(yōu)異的生物相容性，適用于不同的生物電化學傳感。此外，為了充分發(fā)揮OECT傳感器的潛力，集成傳感系統(tǒng)，特別是基于OECT的傳感陣列，由于其時空分辨率、機械靈活性、高光學透明度、低功耗和易于制造而被廣泛研究。這些優(yōu)點歸因于OECT獨特的工作機制、新穎的混合離子-電子導體（半導體）、適應(yīng)性強的器件幾何形狀/結(jié)構(gòu)等。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，電子科技大學程玉華教授、白利兵教授等人在IEEE Open Journal of Nanotechnology期刊上發(fā)表了題為“Integrated Sensing Arrays Based on Organic Electrochemical Transistors”的綜述論文，系統(tǒng)地總結(jié)了基于OECT傳感系統(tǒng)的進展，重點介紹了OECT傳感陣列。此外，基于最近對OECT及其相關(guān)傳感器陣列的研究，討論了穩(wěn)定性、有效帶寬、集成密度和功耗等方面的前景。最后，對該領(lǐng)域進行了總結(jié)和展望。

在所有研究的基于OECT的傳感陣列中，它們可以分為兩大類：無源陣列和有源陣列。

無源陣列

無源陣列設(shè)計簡單，并且工作原理簡單明了，因為陣列中的每個傳感器都不與其他傳感器相連（無串擾）。在討論基于OECT的無源陣列之前，值得注意的是，發(fā)展成熟的微電極陣列（MEA）已經(jīng)得到了廣泛研究，陣列中的每個電極端部都充當一個傳感終端。目前已經(jīng)開發(fā)出對人體皮膚具有良好粘附性、生物相容性以及在織物上具有優(yōu)異拉伸性的MEA，并將其應(yīng)用于監(jiān)測心臟、大腦、骨骼肌甚至細胞產(chǎn)生的電活動。也有許多綜合性的綜述總結(jié)了MEA的最新進展。而對于基于OECT的無源陣列，可以將其視為MEA的升級版本，其中每個電極傳感終端都被一個OECT（或至少一個OECT通道）所取代。因此，在MEA中，每個電極傳感終端通常接收由于功能電極與目標分析物的相互作用而引起的電勢/電流變化，并通過電極布線將電信號傳輸出去。相反，在基于OECT的無源陣列中，由于改變的門控電位或波動的離子種類/濃度等，目標分析物將導致通道摻雜狀態(tài)的變化。因此，摻雜水平的變化將轉(zhuǎn)化為源漏電流的變化。基于OECT的傳感器的這一過程包含兩個重要階段：1）分析物誘導的傳感過程；2）晶體管感應(yīng)放大過程。因此，與MEA相比，基于OECT的無源陣列具有低檢測限、高靈敏度和典型的高信噪比（SNR）等優(yōu)勢。由于基于OECT的無源陣列的這些優(yōu)勢，其被應(yīng)用于體液傳感和神經(jīng)形態(tài)器件。

MEA和基于OECT的無源傳感陣列的典型電路圖

例如，Xie等人最近展示了一種OECT無源陣列，用于實時監(jiān)測活體大鼠大腦中的兒茶酚胺神經(jīng)遞質(zhì)（CA-NT）。由于OECT陣列的特殊分布和毫秒時間分辨率，它允許同時監(jiān)測不同腦區(qū)的CA-NT釋放，并揭示了中腦邊緣和黑質(zhì)紋狀體通路之間的復(fù)雜串擾。

Xie等人開發(fā)的OECT無源陣列

除了對大腦的生化傳感和刺激，OECT無源陣列還被應(yīng)用于即時檢驗。Pappa等人設(shè)計并制造了一種緊湊型生物傳感平臺，用于定量監(jiān)測唾液中的葡萄糖、乳酸和膽固醇含量。此外，Zhang等人展示了另一種用于肺癌醫(yī)學診斷的無創(chuàng)便攜式有機電化學晶體管（SiOECT）陣列。

OECT無源陣列在即時檢驗方面的應(yīng)用

具有用于生理傳感的公共柵電極的OECT無源陣列也可以與高密度器件集成。這種高密度OECT無源陣列可適用于監(jiān)測電活性細胞和需要高時空分辨率的各種生物傳感應(yīng)用。

除了生物傳感相關(guān)的應(yīng)用，OECT陣列還可用于構(gòu)建功能電路，這在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

有源陣列

與無源陣列相比，基于OECT的有源傳感陣列由獨立的OECT組成，這些OECT與同一列/行中的其它OECT共享源極和漏極，這類似于平板顯示器中的有源矩陣。在有源矩陣中，每個像素/傳感器至少由一個晶體管組成。由于在交叉幾何結(jié)構(gòu)中引入了晶體管，有源陣列和有源矩陣在降低功耗、高時空分辨率和最小信號串擾方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。有源陣列已經(jīng)應(yīng)用于壓力、溫度、光、磁場和生物信號的傳感/映射。而基于OECT的有源傳感陣列主要用于生理傳感/映射。

OECT有源陣列示意圖

Someya等人將蜂窩網(wǎng)格基底與OECT有源陣列結(jié)合，同時實現(xiàn)了良好的延展性和生物相容性。這種具有良好延展性和操作穩(wěn)定性的OECT有源陣列可應(yīng)用于需要機械一致性和生物兼容性的其它生物傳感領(lǐng)域。

Someya等人開發(fā)的可拉伸OECT有源陣列

此外，Lee等人還研究了在一個傳感單元下具有兩個晶體管的OECT陣列。這種配置可以更精確、更容易地控制每個傳感點，即使與上述有源陣列相比陣列的復(fù)雜性增加。此外，高信噪比和高時空分辨率也可以集成到該有源陣列中，以滿足檢測各種電生理信號（包括神經(jīng)元和心肌細胞）的要求。

Lee等人開發(fā)的5 × 5有源陣列

從上述結(jié)果可以看出，OECT陣列可以有效地監(jiān)測細胞外電位。然而，細胞內(nèi)動作電位記錄在很大程度上局限于三維MEA策略，這嚴重阻礙了有機電子學的實施。Jimbo等人發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)OECT陣列的驅(qū)動電壓可以引起電穿孔，其中陣列可以記錄細胞內(nèi)陽離子電勢。此外，還證明了通過調(diào)整OECT的幾何結(jié)構(gòu)和驅(qū)動電壓可以控制電穿孔的效果。

從以上討論中，可以看到基于OECT的傳感陣列可以應(yīng)用于各種生理信號檢測，這是令人鼓舞的。然而，為了充分利用基于OECT的傳感陣列，需要特別注意與OECT及其傳感器相關(guān)的幾個關(guān)鍵因素，包括穩(wěn)定性、帶寬、集成密度和功耗。

總之，本綜述總結(jié)了基于OECT的傳感陣列的最新進展，并討論了與OECT及其傳感器相關(guān)的關(guān)鍵方面。由于OECT陣列在柔性/可拉伸性、高靈敏度和生物相容性方面的優(yōu)勢，其已被廣泛應(yīng)用于與生物傳感/生物接口相關(guān)的新型應(yīng)用。目前的研究表明，由于這種晶體管的混合離子-電子工作機制，穩(wěn)定性是它們需要克服的一個關(guān)鍵障礙，而對于微尺度和高密度集成，高精度制造技術(shù)是迫切需要的。此外，n型OECT的滯后發(fā)展也限制了具有更高靈敏度和更低功耗的高性能OECT陣列的發(fā)展。總的來說，新興的OECT研究為基于晶體管的傳感技術(shù)增加了新的可能性，基于OECT傳感陣列的引入為醫(yī)療生物技術(shù)的發(fā)展帶來了巨大的潛力。

審核編輯：湯梓紅