AEM综述：基于场效应晶体管的生物传感器检测灵敏度提升方法研究进展

Wiley

2025-05-14

综述背景

场效应晶体管（FET）生物传感器凭借高灵敏度、快速响应、低功耗及易于集成等优势，在医疗诊断、环境监测等领域展现出广阔前景。然而，其实际应用仍面临灵敏度提升受限的挑战，如德拜屏蔽效应导致的高离子强度环境中信号衰减、分析物与传感器表面结合效率不足，以及器件结构设计对信号放大的限制。近年来，研究者从克服德拜屏蔽的影响、提升生物分子与晶体管表面的结合效率、改善器件结构等几个角度提出了提高检测灵敏度的新方法。

综述简介

由中国科学院微电子研究所张文昌团队发表的综述论文《Recent Advances in Enhancing the Sensitivity of Biosensors Based on Field Effect Transistors》，系统梳理了FET生物传感器灵敏度提升的最新进展。该论文从克服德拜屏蔽的影响、提升生物分子与晶体管表面的结合效率、改善器件结构三方面总结了关键策略，并提出未来研究方向，为高性能生物传感器的开发提供了理论框架与技术参考。此外，针对现有灵敏度表征方式仍没有统一标准的问题，该论文还对灵敏度的常用表征方式进行了总结分析。

图1 提升生物场效应晶体管检测灵敏度的方法

小结

作者们首先综述了生物场效应晶体管（Bio-FET）的检测原理，并系统总结了影响其检测灵敏度的关键因素，包括德拜屏蔽效应、生物分子结合效率及器件结构。随后，围绕这些因素，归纳了近年来提升Bio-FET检测灵敏度的主要策略。针对德拜屏蔽效应带来的限制，研究者提出了多种优化方案。一方面，可以通过改善材料形态、引入聚合物改性等手段增加德拜长度，从而缓解屏蔽效应。另一方面，通过缩小受体尺寸、调整适配体取向等方法，使标志物位于德拜长度范围内，以提高信号检测能力。此外，还可以利用高频交流电场调制破坏双电层的形成，从而有效削弱德拜屏蔽效应。在提升生物分子结合效率方面，优化半导体表面处理与功能化，以及采用比表面积更大的器件结构，均可显著增强生物分子之间的相互作用，从而提高检测灵敏度。从器件结构的角度来看，优化器件设计也是提升Bio-FET性能的重要手段。例如，双栅场效应晶体管、隧道场效应晶体管、有机电化学场效应晶体管以及基于二维材料的场效应晶体管等新型架构，均在传统MOS晶体管的基础上进行了改进。这些创新结构往往结合多种优化策略，以协同增强检测性能。此外，由于当前文献中对灵敏度的表征方式存在差异，不同研究间的结果难以直接比较。为此，作者们对灵敏度的各类表征方法进行了综述，以期提供更统一的评估标准。最后，作者们探讨了该领域面临的挑战。尽管近年来Bio-FET生物传感器取得了显著进展，但在提升检测灵敏度方面仍有诸多难题亟待解决。例如，德拜屏蔽效应尚无法完全消除，其机理的描述与分析仍存在困难。为了实现Bio-FET的最佳性能，仅依赖单一策略难以奏效，必须结合材料优化、器件结构创新等多种方法，才能最大程度地提升检测灵敏度。

期刊简介

期刊Advanced Electronic Materials重点发表物理：应用、材料科学：综合、纳米科技相关方向的文章。

该期刊是一个跨学科论坛，在材料科学，物理学，电子和磁性材料工程领域进行同行评审，高质量，高影响力的研究。除了基础研究外，它还包括电子和磁性材料、自旋电子学、电子学、器件物理学和工程学、微纳机电系统和有机电子学的物理和物理性质的研究。期刊最新引文指标为0.9，最新影响因子为5.3（2023）。