综述：基于有机电化学晶体管的集成传感阵列

与传统方法相比，有机电化学晶体管（OECT）作为最有前途的传感技术之一，显示出各种优势，包括超高灵敏度、低驱动电压和优异的生物相容性，适用于不同的生物电化学传感。此外，为了充分发挥OECT传感器的潜力，集成传感系统，特别是基于OECT的传感阵列，由于其时空分辨率、机械灵活性、高光学透明度、低功耗和易于制造而被广泛研究。这些优点归因于OECT独特的工作机制、新颖的混合离子-电子导体（半导体）、适应性强的器件几何形状/结构等。

据麦姆斯咨询报道，近期，电子科技大学程玉华教授、白利兵教授等人在IEEE Open Journal of Nanotechnology期刊上发表了题为“Integrated Sensing Arrays Based on Organic Electrochemical Transistors”的综述论文，系统地总结了基于OECT传感系统的进展，重点介绍了OECT传感阵列。此外，基于最近对OECT及其相关传感器阵列的研究，讨论了稳定性、有效带宽、集成密度和功耗等方面的前景。最后，对该领域进行了总结和展望。

在所有研究的基于OECT的传感阵列中，它们可以分为两大类：无源阵列和有源阵列。

无源阵列

无源阵列设计简单，并且工作原理简单明了，因为阵列中的每个传感器都不与其他传感器相连（无串扰）。在讨论基于OECT的无源阵列之前，值得注意的是，发展成熟的微电极阵列（MEA）已经得到了广泛研究，阵列中的每个电极端部都充当一个传感终端。目前已经开发出对人体皮肤具有良好粘附性、生物相容性以及在织物上具有优异拉伸性的MEA，并将其应用于监测心脏、大脑、骨骼肌甚至细胞产生的电活动。也有许多综合性的综述总结了MEA的最新进展。而对于基于OECT的无源阵列，可以将其视为MEA的升级版本，其中每个电极传感终端都被一个OECT（或至少一个OECT通道）所取代。因此，在MEA中，每个电极传感终端通常接收由于功能电极与目标分析物的相互作用而引起的电势/电流变化，并通过电极布线将电信号传输出去。相反，在基于OECT的无源阵列中，由于改变的门控电位或波动的离子种类/浓度等，目标分析物将导致通道掺杂状态的变化。因此，掺杂水平的变化将转化为源漏电流的变化。基于OECT的传感器的这一过程包含两个重要阶段：1）分析物诱导的传感过程；2）晶体管感应放大过程。因此，与MEA相比，基于OECT的无源阵列具有低检测限、高灵敏度和典型的高信噪比（SNR）等优势。由于基于OECT的无源阵列的这些优势，其被应用于体液传感和神经形态器件。

MEA和基于OECT的无源传感阵列的典型电路图

例如，Xie等人最近展示了一种OECT无源阵列，用于实时监测活体大鼠大脑中的儿茶酚胺神经递质（CA-NT）。由于OECT阵列的特殊分布和毫秒时间分辨率，它允许同时监测不同脑区的CA-NT释放，并揭示了中脑边缘和黑质纹状体通路之间的复杂串扰。

Xie等人开发的OECT无源阵列

除了对大脑的生化传感和刺激，OECT无源阵列还被应用于即时检验。Pappa等人设计并制造了一种紧凑型生物传感平台，用于定量监测唾液中的葡萄糖、乳酸和胆固醇含量。此外，Zhang等人展示了另一种用于肺癌医学诊断的无创便携式有机电化学晶体管（SiOECT）阵列。

OECT无源阵列在即时检验方面的应用

具有用于生理传感的公共栅电极的OECT无源阵列也可以与高密度器件集成。这种高密度OECT无源阵列可适用于监测电活性细胞和需要高时空分辨率的各种生物传感应用。

除了生物传感相关的应用，OECT阵列还可用于构建功能电路，这在物联网（IoT）领域具有巨大的发展潜力。

有源阵列

与无源阵列相比，基于OECT的有源传感阵列由独立的OECT组成，这些OECT与同一列/行中的其它OECT共享源极和漏极，这类似于平板显示器中的有源矩阵。在有源矩阵中，每个像素/传感器至少由一个晶体管组成。由于在交叉几何结构中引入了晶体管，有源阵列和有源矩阵在降低功耗、高时空分辨率和最小信号串扰方面表现出明显的优势。有源阵列已经应用于压力、温度、光、磁场和生物信号的传感/映射。而基于OECT的有源传感阵列主要用于生理传感/映射。

OECT有源阵列示意图

Someya等人将蜂窝网格基底与OECT有源阵列结合，同时实现了良好的延展性和生物相容性。这种具有良好延展性和操作稳定性的OECT有源阵列可应用于需要机械一致性和生物兼容性的其它生物传感领域。

Someya等人开发的可拉伸OECT有源阵列

此外，Lee等人还研究了在一个传感单元下具有两个晶体管的OECT阵列。这种配置可以更精确、更容易地控制每个传感点，即使与上述有源阵列相比阵列的复杂性增加。此外，高信噪比和高时空分辨率也可以集成到该有源阵列中，以满足检测各种电生理信号（包括神经元和心肌细胞）的要求。

Lee等人开发的5 × 5有源阵列

从上述结果可以看出，OECT阵列可以有效地监测细胞外电位。然而，细胞内动作电位记录在很大程度上局限于三维MEA策略，这严重阻碍了有机电子学的实施。Jimbo等人发现，调节OECT阵列的驱动电压可以引起电穿孔，其中阵列可以记录细胞内阳离子电势。此外，还证明了通过调整OECT的几何结构和驱动电压可以控制电穿孔的效果。

从以上讨论中，可以看到基于OECT的传感阵列可以应用于各种生理信号检测，这是令人鼓舞的。然而，为了充分利用基于OECT的传感阵列，需要特别注意与OECT及其传感器相关的几个关键因素，包括稳定性、带宽、集成密度和功耗。

总之，本综述总结了基于OECT的传感阵列的最新进展，并讨论了与OECT及其传感器相关的关键方面。由于OECT阵列在柔性/可拉伸性、高灵敏度和生物相容性方面的优势，其已被广泛应用于与生物传感/生物接口相关的新型应用。目前的研究表明，由于这种晶体管的混合离子-电子工作机制，稳定性是它们需要克服的一个关键障碍，而对于微尺度和高密度集成，高精度制造技术是迫切需要的。此外，n型OECT的滞后发展也限制了具有更高灵敏度和更低功耗的高性能OECT阵列的发展。总的来说，新兴的OECT研究为基于晶体管的传感技术增加了新的可能性，基于OECT传感阵列的引入为医疗生物技术的发展带来了巨大的潜力。

审核编辑：汤梓红