《Biosensors and Bioelectronics》：Field-Effect Transistors for Electrophysiological Monitoring of Cardiac and Nervous System
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张腾龙|李慧敏|李娜|赵学飞|孟琦|陈俊|李新宇|邢立刚|王莉山东科技大学（山东省科学院）机械工程学院，中国济南250353摘要电生理信号对于阐明心脏和神经系统的功能状态及病理机制至关重要。然而，传统技术在高通量能力、信噪比（SNR）和长期稳定性之间存在固有的权衡。为了解决这些挑
张腾龙|李慧敏|李娜|赵学飞|孟琦|陈俊|李新宇|邢立刚|王莉
山东科技大学（山东省科学院）机械工程学院，中国济南250353
摘要
电生理信号对于阐明心脏和神经系统的功能状态及病理机制至关重要。然而，传统技术在高通量能力、信噪比（SNR）和长期稳定性之间存在固有的权衡。为了解决这些挑战，基于场效应晶体管（FET）的电生理传感器作为一种强大的平台逐渐受到重视，它们以其卓越的灵敏度、低固有噪声和优越的时空分辨率而著称。本文全面概述了该领域的最新进展，区分了平面和三维架构，以突出不同的设计策略和应用。具体而言，平面配置利用刚性基底实现高密度集成和体外电生理分析，而柔性平面FET（包括石墨烯和有机晶体管）则能够实现贴合式的可穿戴和植入式监测。相反，三维配置利用纳米级探针或网状支架实现与细胞的紧密接触，从而实现高保真的细胞内记录。除了设备几何形状外，还重点研究了新兴材料（包括石墨烯和有机半导体）的集成，以及影响噪声、信噪比和长期传感稳定性的材料、界面和设备级因素。本文最后展望了当前面临的挑战和未来的机遇，强调了慢性生物接口、可扩展集成和可靠的体内操作作为心脏病学和神经科学临床转化的关键步骤。
引言
迄今为止，心血管和神经系统疾病仍然是全球发病率和死亡率的主要原因。（Ding等人，2022；Gaidai等人，2023；Tsao等人，2023）因此，阐明这些疾病的发病机制对于推进预防和治疗策略至关重要。（Piccini等人，2022；Yang等人，2022；Ziegler等人，2025）在这方面，电生理学是了解心脏和神经系统功能动态不可或缺的窗口。由于生物电活动控制着包括动作电位传播和信号整合在内的关键过程（Levin，2021），其准确检测提供了生理调节的直接读数。除了基本功能外，这些信号还是疾病诊断、机制研究和治疗干预的基石。（Drukarch和Wilhelmus，2023；Fedele和Brand，2020；Huang和Lei，2023；Jia等人，2020）出于这一关键需求，开发能够从心肌细胞和神经元获取高保真记录的强大平台已成为核心研究目标。（Varró等人，2021；Alivisatos等人，2013）
膜片钳技术仍然是细胞电生理学的金标准，它使用玻璃微吸管形成高阻抗密封以进行单通道记录。然而，这种方法在同时监测多个细胞方面可扩展性较差，操作复杂且具有侵入性，限制了其长期使用。（Jacques等人，2023；Xiang等人，2022；Gao等人，2021）同样，使用电压敏感染料的光学方法提供了一种非接触式替代方案，但受到低信噪比（SNR）、有限的时间分辨率和光毒性的限制。（Grenier等人，2022；Zhou等人，2021；Liu和Miller，2020）这些限制促使人们探索微电极阵列（MEA）和场效应晶体管（FET）。尽管MEA提供了非侵入性的并行记录能力，但传统平台由于电极阻抗较高，限制了亚阈值信号的检测。（Kanade等人，2022；Abbott等人，2020；Rastogi等人，2020；Wei等人，2019）相反，基于FET的传感器利用独特的栅极电压控制机制来放大微弱信号，提供了卓越的灵敏度、噪声性能和分辨率。（Xue等人，2022；Reddy和Panda，2021；Chen等人，2023；Sengupta和Hussain，2024；Y. Zhang等人，2023）然而，这些优势的实际实现不仅取决于设备几何形状和通道材料，还取决于生物接口耦合以及不同晶体管平台的固有噪声行为。因此，评估基于FET的电生理传感器需要关注架构设计和与噪声相关的因素，包括低频噪声、界面电荷波动以及影响信噪比和记录保真度的材料或结构依赖的传输过程。基于FET的电生理传感器可以根据架构设计和性能特征分为平面和三维结构。平面FET凭借成熟的制造技术，便于高效的大规模集成和高通量采集。（Zhao等人，2022，2021；J. Song等人，2024；J. Li等人，2025）与柔性聚合物或弹性基底集成后，这些设备可以精确贴合生物组织几何形状，从而实现高保真的体内神经监测和非侵入性心电图/脑电图记录。（Nguyen等人，2023；Wang等人，2022；Li等人，2020；Liu等人，2022）与此同时，有机晶体管基电生理传感器（OECT）因其体积离子掺杂机制而在低工作电压下实现大跨导，特别适合软生物接口、可穿戴系统和体外细胞记录。与平面设计不同，三维FET采用探针型或网状结构实现与细胞的紧密耦合或膜穿透，从而实现细胞内记录。（Cho等人，2021；Li等人，2021；Song等人，2021）这种空间接口显著提高了信号保真度，为阐明信号转导机制提供了关键工具。总体而言，平面和三维FET成为心脏病学和神经科学研究中的变革性平台。（Pandey等人，2025；Sadighbayan等人，2020）
本文全面回顾了FET在心脏和神经电生理监测中的最新应用进展。讨论首先分析了基本工作原理，然后对平面和三维架构的制造过程和性能指标进行了批判性评估。此外，还讨论了噪声的来源和影响信噪比的因素，以便更全面地理解不同FET平台的记录保真度。基于这一技术框架，我们探讨了这些设备在心脑血管领域的应用，包括药物筛选、疾病建模以及可穿戴或植入式系统。文章最后指出了持续存在的挑战，并概述了提高基于FET的电生理传感器在生物医学应用中的长期可靠性和转化潜力的未来方向。
章节片段
FET的器件结构和工作原理
FET通常由一个通道和三个电极组成：源极、漏极和栅极。（Mei等人，2024；Niu等人，2023；Xiang等人，2024）通道位于源极和漏极电极之间。栅极通过栅极介电层与通道隔开，形成一个平行板电容器。根据栅极的位置及其相对于通道的位置，常见的FET分为四种结构类型：顶栅顶接触、顶栅底接触、底
基于平面FET的电生理传感器
作为该领域最成熟的部分，基于平面FET的电生理传感器主要通过基底材料进行分类，分为刚性和柔性架构（表1）。（Nawaz等人，2023；Franklin，2015；Nehra和Pal Singh，2015）这种结构差异决定了制造工艺、材料选择和应用。利用成熟的CMOS技术，硅基底上的刚性FET实现了超高频密阵列集成
FET在心脏和神经电生理学中的应用
近年来，基于FET的电生理传感器在心脏和神经信号检测方面取得了重大突破。（Chung等人，2022；Fang等人，2020；Hlukhova等人，2024；Kyndiah等人，2025）纳米级灵敏度、高时空分辨率和最小侵入性的结合使这些设备成为阐明生物系统内电传导路径不可或缺的工具。利用这些优势，多尺度
结论与展望
电生理信号反映了细胞中离子通道的分布和活动，并与病理状态密切相关。在心脏和神经研究中，基于FET的传感器能够实现亚细胞分析、深层组织植入和多路记录。这些设备结合了高灵敏度和低侵入性，并通过栅极控制将微弱的细胞电位转换为可测量的电流，从而提供内在的信号放大。
CRediT作者贡献声明
王莉：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。李新宇：撰写——审稿与编辑，监督。陈俊：撰写——审稿与编辑，监督。李慧敏：撰写——初稿，概念化。张腾龙：撰写——初稿，研究，概念化。邢立刚：概念化，资金获取，资源协调，监督，撰写——审稿与编辑。李娜：撰写——初稿。孟琦：研究。
1 / f noise in van der, ; Gao等人，2024；Li等人，2025；Liu等人，2023；Song等人，2024；Tsao等人，2021；Yang等人，2023；Zhang等人，2020；Zhang等人，2023。
数据可用性
由于本研究未创建或分析新数据，因此不适用数据可用性。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：62371267、62121003）、中加学者交流计划（编号：2025-7）、山东省重点研发计划（重大创新项目）（2022CXGC020501）、山东省重点研发计划（科技型中小企业创新能力提升项目）（2025TSGCCZZB0017）以及济南科技资助的器官芯片制造关键技术创新团队的支持。
