有机电化学晶体管（OECT）作为有机生物电子学领域的核心器件，凭借高跨导、低工作电压、良好生物相容性及本征柔性等优势，在神经形态计算、生物传感、逻辑电路等领域展现出广阔应用前景。其性能的核心取决于有机混合离子-电子导体（OMIECs）等关键材料的分子设计与性能优化，同时器件结构创新与功能集成也推动了其在多场景的实际应用。
一、核心材料体系及设计策略
OECT的核心材料包括OMIECs沟道材料、电解质材料及功能修饰材料，其中OMIECs的分子设计是调控器件离子-电子耦合传输性能的关键，主要通过侧链工程、骨架工程及混合体系设计实现性能优化。
（一）有机混合离子-电子导体（OMIECs）
OMIECs作为OECT的沟道核心，需同时实现高效离子传输与电子传输，其性能评价以品质因数μC*（载流子迁移率μ与体积电容C*的乘积）和跨导gm为关键指标。根据导电类型可分为p型、n型及双极型材料，各类材料的设计策略与代表性体系如下：
1、p型OMIECs材料
p型材料以传输空穴为主，通过对阴离子注入实现电荷补偿，是目前研究最为成熟的OMIECs体系。其分子设计主要聚焦于噻吩衍生物、苯并二噻吩（BDT）、环戊二噻吩（CPDT）等给电子单元，结合亲水性侧链调控离子渗透效率。
经典体系：聚(3,4 -乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）是商业化程度最高的p型材料，通过共混溶剂、表面活性剂优化，空穴导电能力可达1000 S?cm?1，基于其制备的OECT可实现毫西级跨导和微秒级响应时间。但PSS的酸性与较高杨氏模量限制了其生物相容性与长期稳定性，衍生出PEDOT:Tos、PEDOT:DBSA等复合体系。
侧链工程优化材料：引入寡聚乙二醇（OEG）侧链的聚噻吩衍生物P3MEEMT，通过增强水合作用提升离子注入效率，μC值达49.1 F?cm?1?V?1?s?1；McCulloch课题组提出“侧链重分配”策略，合成的p(g2T2-g4T2)通过调控OEG侧链长度与密度，平衡薄膜溶胀与电荷传输，μC高达522 F?cm?1?V?1?s?1，700次循环后性能保持率达87%。
共轭骨架优化材料：基于苯并二噻吩（BDT）的gBDT-MeOT2通过甲氧基二噻吩单元增强平面性与电荷离域，跨导较基础体系提升4倍；环戊二噻吩（CPDT）衍生物P3gCPDT-MeOT2通过混合溶剂诱导多孔薄膜结构，μC*达476 F?cm?1?V?1?s?1，展现出优异的机械稳定性。
2、n型OMIECs材料
n型材料以传输电子为主，通过阳离子注入实现电荷补偿，其发展滞后于p型材料，核心挑战在于提升稳定性与电子迁移率，设计策略聚焦于降低最低未占据分子轨道（LUMO）能级与构建刚性平面骨架。
典型受体单元：萘二酰亚胺（NDI）、联噻吩酰亚胺（BTI）、聚苯并咪唑并苯并菲咯啉（BBL）等缺电子单元是n型材料的核心构筑模块。例如，P(gNDI-gT2)是首个可在水中操作的n型材料，LUMO能级为-4.12 eV，水相工作2小时后性能保持稳定；BBL作为刚性阶梯型聚合物，具有1930 F?cm?3 的高体积电容，基于其制备的OECT跨导达9.7 mS，连续工作1小时稳定性优异。
共轭骨架优化材料：基于苯并二噻吩（BDT）的gBDT-MeOT2通过甲氧基二噻吩单元增强平面性与电荷离域，跨导较基础体系提升4倍；环戊二噻吩（CPDT）衍生物P3gCPDT-MeOT2通过混合溶剂诱导多孔薄膜结构，μC*达476 F?cm?1?V?1?s?1，展现出优异的机械稳定性。
性能优化体系：刘剑课题组开发的n-PT3通过侧链调控与骨架平面化设计，μC超过100 F?cm?1?V?1?s?1；聚苯二呋喃二酮（PBFDO）通过氧化聚合与原位N掺杂，实现1970 S?cm?1的超高归一化跨导，μC达180 F?cm?1?V?1?s?1，为n型材料最高值。氟原子取代策略可有效调控LUMO能级，如P(gTDPP2FT)的μC*达54.8 F?cm?1?V?1?s?1，展现出稳定的n型传输特性。
3、双极型OMIECs材料
双极型材料可同时传输空穴与电子，无需单独图案化p型与n型器件，简化电路加工流程，核心设计思路为构建窄带隙共轭骨架与优化侧链亲疏水性。
共混与共聚体系：早期通过p型与n型材料共混实现双极传输，但存在相分离问题；无规共聚体系如P(NDIMTEG-T)通过调节OEG侧链与烷基侧链比例，实现平衡的离子-电子传输。
单组分体系：高自旋聚合物P(TII-2FT)与基于潜醌式受体TBDOPV片段的P(bgTBDOPV-EDOT)通过给体-受体（D-A）共聚物设计，实现平衡且稳定的双极型性能；2DPP-OD-TEG通过双DPP单元构筑，p型与n型μC*分别达31.8和6.8 F?cm?1?V?1?s?1，展现出良好的双极传输潜力。
4、特殊功能OMIECs材料
半导体水凝胶：将水溶性阳离子型n型半导体聚合物P(PyV)通过抗离子交联构建半导体水凝胶，兼具半导体的逻辑运算功能与水凝胶的高生物相容性、黏附性，成功记录到高信噪比的小鼠皮层脑电图（ECoG）信号，解决了传统材料与生物组织力学不匹配的问题。
混合体系材料：通过非OMIEC与OMIEC共混，可诱导非OMIEC材料的混合传导特性。例如，PC??BM（非OMIEC）与P3MEEET（p型OMIEC）共混形成体异质结结构，PC??BM在聚合物亲水性侧链介导下实现电化学掺杂，n型μC*达86 F?cm?3，为新型OMIEC材料开发提供了无合成依赖的策略。
（二）电解质材料
电解质作为离子传输介质，直接影响OECT的工作电压、响应速度与稳定性，根据状态可分为液体电解质与固体电解质，根据应用场景分为有机电解质与水基电解质（生物电子学首选）。
液体电解质：常用KCl、磷酸盐缓冲液（PBS）等水溶液，离子传导效率高，但存在泄漏风险；离子液体如EMIM-TFSI可提升稳定性，但生物相容性需优化。
固体电解质：聚乙二醇（PEO）、离子凝胶等固态电解质可避免泄漏，提升器件集成度。例如，PEO基电解质与PEDOT:PSS复合可实现全固态OECT，而离子凝胶电解质可赋予器件非易失性存储特性，但需解决离子液体的生物毒性问题。
功能化电解质：通过调控离子种类、浓度与驱动力可优化器件性能。低水合程度的阴离子（如TFSI?）可提升掺杂速度；离子浓度影响阈值电压与德拜长度，降低PBS浓度可将SARS-CoV-2 IgG检测极限从10 pM降至100 fM。
（三）其他功能材料
封装与修饰材料：聚对二***（Parylene C）用于器件绝缘封装，减少漏电流；两性离子磷酸胆碱功能化聚对二***可降低器件杨氏模量至35 kPa，接近皮肤力学特性，同时具备抗生物污染能力。
界面修饰材料：DNA适配体、抗体、酶等生物分子用于构建特异性传感界面，如葡萄糖氧化酶（GOx）修饰的OECT可实现葡萄糖灵敏检测；SpyTag-SpyCatcher体系用于栅极表面功能化，构建单分子灵敏度的生物传感器。
二、核心应用领域
OECT 的材料特性决定了其在生物电子学、神经形态计算、柔性电子等领域的多元应用，核心应用场景包括原位信号处理、生物传感、神经仿生与逻辑电路等。
（一）感存算一体化神经界面器件
传统神经界面器件存在传感器、存储器与计算单元物理分离导致的高能耗、高延迟问题，OECT凭借离子-电子耦合特性与生物相容性，成为构建感存算一体化神经界面的核心载体。
原位信号处理：基于OECT的反相器电路可实现神经信号的原位放大与滤波，互补型反相器（由p型与n型OECT组成）功耗更低、增益更高，可直接在生物组织中实现信号采集与放大。内部离子门控晶体管（IGT）通过内置离子库缩短传输时间，工作频率达MHz级，解决了传统OECT串扰问题，可构建多级放大器、环形振荡器等复杂电路。
神经形态计算：OECT可模拟神经元与突触功能，构建神经形态计算系统。有机电化学神经元（OECN）包括电导型、OEND型与泄漏积分发射（LIF）型，其中LIF OECN电路简单，可与生物系统直接交互，如诱导捕蝇草叶闭合与水蛭肌肉收缩；非易失性OECT通过离子捕获与阻挡设计，可模拟突触可塑性，马伟课题组开发的OECT突触提供1024种存储状态，状态保持时间超10000 s，可实现巴甫洛夫联想学习与图像识别任务。
生物相容性优势：半导体水凝胶、柔性OMIECs材料与生物组织力学匹配（杨氏模量 < 10 kPa），减少免疫反应与组织损伤，可实现长期植入。例如，超薄（<10 μm）PEDOT:PSS OECT可与皮肤共形贴附，实现长期电生理监测；植入式OECT阵列在大鼠体内癫痫记录中，信噪比超过20 dB，优于传统表面电极。
（二）生物传感
OECT 作为生物传感器具有高灵敏度、低检测限、可在水相工作等优势，可实现生理电信号与生物分子的精准检测，应用于医疗诊断、可穿戴设备等场景。
生理电信号检测：可记录脑电（ECoG）、心电（ECG）、肌电（EMG）等信号。例如，基于DPP-g2T的可拉伸OECT在30%-140%应变下仍保持性能稳定，可用于动态心电监测；内部离子门控晶体管（e-IGT）工作频率覆盖0.1-10? Hz，可记录全频段生理电信号，长期工作稳定性超过4天。
生物分子检测：通过功能界面修饰，可检测葡萄糖、乳酸、多巴胺、DNA、蛋白质及病毒等。GOx修饰的n型OECT可检测10-20 mM的葡萄糖，且可由生物燃料电池驱动实现自供电检测；纳米抗体功能化OECT对SARS-CoV-2病毒的检测极限达单个分子，检测时间小于15分钟；分子机电系统修饰的OECT可实现5×10?2? M浓度的蛋白质与核酸检测。
可穿戴与植入式传感：柔性OECT可集成于隐形眼镜、皮肤贴片等载体，实现无创监测。例如，有机太阳能电池（OSCs）驱动的柔性OECT传感器可监测泪液中葡萄糖与Ca2?浓度；生物黏性OECT通过双网络架构实现与湿组织的强黏附，可用于高质量电生理记录。
（三）逻辑电路与柔性电子
OECT低工作电压、高集成度的特性使其在柔性逻辑电路中具有优势，可实现大面积、低成本印刷制备，应用于可穿戴计算、物联网终端等。
基本逻辑单元：反相器、环形振荡器、与非门等逻辑单元已通过OECT实现。气溶胶喷射印刷的P3HT/ZnO互补反相器工作电压低于2 V，增益达18，准静态功耗低于10 nW；全印刷大规模集成电路可实现解码与寄存功能，驱动电致变色显示器。
可重构逻辑电路：基于CPE-K的OECT可通过调节栅极与漏极电压极性，实现积累模式与耗尽模式切换，进而实现AND/NOR、OR/NAND逻辑门重构。
垂直结构器件：垂直OECT（v-OECT）通过缩短沟道长度提升电流密度与响应速度，IDIC-MEG基v-OECT跨导达46.3 mS，为当前最高值；垂直结构还可实现易失性与非易失性功能集成，为高密度集成电路提供可能。
（四）其他新兴应用
仿生皮肤与假肢：基于OECT的电子皮肤可模拟触觉、痛觉与温度感知，通过集成机械传感器、OECN与人工突触，实现从感受器到中枢神经再到肌肉运动的完整传感-运动回路，为假肢皮肤与人机界面提供解决方案。
环境监测：OECT可用于气体、离子、微生物等环境指标检测，如基于NDI-T2的n型OECT可实现NO?、H?O?等气体的高灵敏检测；多模态OECT可同时感知光、热、化学信号，应用于智能环境监测网络。
神经修复与治疗：植入式OECT可作为神经刺激器与信号记录器，用于神经系统疾病治疗。例如，通过神经递质传感器与人工突触集成，可实现突触前神经递质刺激下的突触后递质受控释放，为帕金森病等神经退行性疾病提供新型治疗方案。
