综述：基于场效应晶体管（FET）的传感器在挥发性有机化合物（VOC）检测、环境监测及智能传感应用中的研究进展

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Research advances in FET-based sensors for VOC detection, environmental monitoring and smart sensing applications

　　

摘要

作为快速、无标记且极其灵敏地检测挥发性有机化合物（VOCs）以及其他化学和生物分析物的灵活平台，基于场效应晶体管（FET）的传感器引起了广泛关注。由于其优越的电学性能、低功耗以及与小型设备的互操作性，这些传感器在许多领域展现出广阔的应用前景。近年来，石墨烯、金属氧化物、MXenes、过渡金属二硫化物（TMDs）以及其他二维（2D）材料等半导体材料的发展，极大地提升了FET传感器的灵敏度、选择性和整体性能。本综述涵盖了FET传感器的工作原理、器件拓扑结构、检测方法、性能特征以及先进功能材料的作用，全面概述了FET传感技术。文章重点阐述了增强传感性能和实际应用性的策略，特别关注了VOC检测、环境监测、食品质量评估和可穿戴传感应用方面的最新进展。此外，本文还探讨了机器学习（ML）和人工智能（AI）与FET传感器的日益整合，重点关注其在数据解读、信号处理和下一代传感系统智能决策中的作用。最后，文章探讨了创建可靠、可扩展和智能的FET传感平台用于环境和智能传感应用的未来前景，同时分析了材料合成、器件可重复性、标准化和大规模商业化方面的主要障碍。结合材料科学、器件工程和人工智能的发展，FET传感器件有望在即时检测（POCT）应用、即时监测和早期疾病诊断中发挥重要作用。

引言

近年来，人们对高灵敏度、便携式、快速、低成本且无标记的传感设备平台的需求日益增长，推动了大量研究和多种转换策略的探索[1]。在这方面，即时检测（POCT）在当代医疗保健中发挥着至关重要的作用，它能够促进快速诊断和及时的医疗响应，同时大大提高了医疗保健的可及性[2,3]。在各种类型的生物传感器中，包括光学方法如化学发光[4,5]、表面增强拉曼散射[6]、表面等离子体共振[7]和荧光[8]，以及电学方法如场效应晶体管[9,10]、电化学[11]和阻抗生物传感器[12]，基于FET的生物传感器器件尤其适合即时检测（POCT）应用。这种适用性归因于其在信号放大、微型化和系统集成方面的优势。与传统的块体硅通道FET生物传感器器件[13]相比，新型的纳米材料基FET生物传感器，包括半导体纳米线[14]、钙钛矿[15]和二维过渡金属二硫化物（TMDs）[16]、金属氧化物纳米结构[17]、MXenes[18]以及碳基纳米材料[19]，提供了更高的灵敏度、更大的设计灵活性、更简单的器件处理以及更广泛的生物功能修饰方法。这些进展被战略性地用于开发下一代FET生物传感平台。

在此，石墨烯基生物传感器件日益增长的兴趣可归因于其卓越的灵敏度，这源于石墨烯独特的电子特性，加之其高机械和化学稳定性以及与生物系统的兼容性[20]。石墨烯场效应晶体管（GFETs）已成为检测生物和化学物质的高灵敏平台[[21], [22], [23], [24], [25]]。它已被应用于蛋白质、DNA和其他分子的生物传感平台，展现出极低的检测限和高灵敏度[20,26,27]。目标分析物与石墨烯通道之间的邻近性通过电容或电荷转移掺杂等机制影响其费米能级（EF），导致器件转移曲线的偏移。这种偏移通常通过评估狄拉克点电压（VDirac）的位置来确定，该电压代表了转移曲线中电导最小值处的栅压[28]。即使是生物标志物水平的微小变化对生理功能也具有重大意义。然而，这些细微变化必须在复杂的生物微环境中加以识别，而该环境中存在大量干扰物，如核酸（DNA）序列、无机离子、蛋白质和小分子。因此，需要兼具超高灵敏度和无与伦比特异性的诊断工具以实现准确量化[29,30]。此外，可穿戴电子产品是指可以佩戴或附着在人皮肤上的设备，能够在不阻碍或限制其运动的情况下，对个人活动进行连续且详细的监测。因此，可穿戴生物传感设备有望实现对个体生理生物标志物的实时、持续观察[1]。由此，利用这些材料的FET传感器件有望在不久的将来实现大规模生产[31]。总之，碳基纳米材料提供了成本效益、性能和易加工性的理想组合，展示了FET传感器件在POCT应用中独特而广泛的效益。此外，将石墨烯基传感器整合到复杂的生物基质中，特别是用于体内分析和长期读出，需要稳定性、耐久性和生物相容性。随着全球医疗保健行业面临从早期疾病检测到慢性病管理的挑战，在多种二维材料中，石墨烯是一种代表性通道材料，基于GFET的传感器用于可穿戴传感、环境监测、VOC检测以及新型智能传感应用是本文重点讨论的主题。

在本综述中，我们简要概述了基于FET传感器器件的最新发展，涵盖其制造和现有应用。我们涉及的主题广泛，从针对单个器件的概念验证研究到开发原型系统的工业方法。本综述强调了FET传感器器件从实验室阶段到制造的重要性，展示了其推动众多技术和学术领域发展的广阔潜力。此外，我们总结了关于FET传感器器件及其在传感技术中潜在应用的现有文献。本文分为八个部分：第1节从二维材料及其衍生物的介绍开始，突出FET传感器器件的重要性和范围；第2节讨论了FET的分类、原理、性能指标和器件机制；第3节聚焦于FET超灵敏器件涉及的传感机制，如组成部分、传感器和固定机制；第4节介绍了FET传感器器件在挥发性有机化合物（VOCs）检测中的应用；第5节详细阐述了FET器件在环境监控和食品安全应用中的扩展；第6节讨论了面向可穿戴电子的FET超灵敏器件；第7节讨论了通过将人工智能（AI）、机器学习（ML）和深度学习（DL）与传感器器件集成来实现高性能传感方案；最后，第8节概述了结论，重点介绍了FET传感器器件从实验室到制造再到商业化的转变。本综述旨在增进对FET传感器器件设计原理的理解，提供器件制造、材料开发、性能增强和创新应用方面的见解，为未来商业化提供参考。图1展示了FET传感器件及其多用途应用。

基于FET的生物传感器器件分类

基于FET的传感器器件将FET制造与独特的识别元件相结合。具体而言，它通过观察二维通道中从漏极到源极流动的电流来工作，其中电流的调制是通过机械应力、化学反应、带电吸附或光照等外部影响触发的[32,33]。本部分提供了FET基本运行机制、原理、性能指标和分类的简明概述。

基于FET的传感器传感机制

FET传感器通过将半导体表面的变化转化为电信号来识别生物分子相互作用。FET传感器主要对通道电学特性的变化做出响应，而不同于传统的电化学传感器——后者通常依赖于氧化还原反应产生的电流或电极电位的变化。表面电荷、载流子浓度、载流子迁移率、电荷转移或局部静电电位的变化。

FET在VOC传感中的应用

FET传感器有多种应用，其中挥发性有机化合物（VOCs）的检测是最重要的应用之一。VOCs被广泛认为是工业安全、疾病诊断、食品质量评估和环境监测的重要标志物。由于其出色的灵敏度和选择性，结合先进的通道材料和定制的……，FET传感器成为可靠的VOC检测平台。

FET在环境监测和食品安全中的应用

基于FET的传感器在检测气态和非气态分析物方面具有广泛的应用性。已成功利用相同的传感技术检测了影响食品安全和环境质量的污染物、有毒离子、农药和其他污染物。本节重点介绍了FET传感技术在食品安全和环境监测方面的最新进展，展示了其在现场、便携式实时监测方面的前景。

基于FET的可穿戴电子应用

FET材料和器件工程的快速发展也使其能够集成到灵活和可穿戴传感系统中。这些传感器通过结合高传感性能和机械灵活性，实现了对生理和环境指标的连续、无创监测。本节综述了可穿戴FET传感器在下一代智能传感应用和个性化医疗保健中的潜力。

通过AI集成实现高性能FET传感方案

随着FET传感器变得更加灵敏并能够检测多种分析物，它们提供了更复杂的数据集，需要复杂的分析。为了改善信号解读、提高选择性、减少传感器漂移并促进实时决策，人工智能（AI）和机器学习（ML）已成为重要技术。AI增强了FET传感技术，促进了更可靠和智能传感系统的创建，而非……

挑战与前景

尽管FET传感技术取得了巨大进步，但在这些设备能够在实际应用中广泛部署之前，仍有诸多障碍需要克服。大规模材料合成、器件可重复性、长期稳定性、标准化和经济生产等问题仍然阻碍着商业化。本节涵盖了这些困难，并提出了未来研究方向，以创建可靠、可扩展和……

未来展望

蛋白质传感技术的未来在于开发高选择性、便携式和高灵敏度的检测平台，这些平台可以轻松部署于临床和即时检测环境。纳米材料的进展和创新栅极工程方法预计在实现这些目标中将发挥重要作用。在众多传感平台中，石墨烯FET传感器器件在超灵敏蛋白质检测方面已展现出相当的前景。然而，其性能往往……

作者贡献声明

Ramaswamy Sandeep Perala：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，方法论，调查研究，数据整理，概念化。Myung Jong Kim：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，资金获取，形式化分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或可能影响本文所述工作的个人关系。

致谢

本工作得到韩国国家研究基金会（NRF）资助（韩国政府MSIT）（RS-2025-00522906）和嘉泉大学2025年研究基金（GCU-202503090001）的支持。

Ramaswamy Sandeep Perala | Myung Jong Kim

嘉泉大学化学系，京畿道城南市水靖区城南大路1342号，韩国大韩民国，邮编13120