在科技蓬勃发展的今天，化学传感器在环境监测、医疗诊断、工业生产等领域占据着关键地位。从检测大气污染物，到助力疾病早期诊断，它的身影无处不在。然而，传统单变量传感器易受干扰，在复杂环境中难以精准识别目标分析物。传感器阵列虽能在一定程度上解决问题，但材料改性过程复杂繁琐。碳基多变量化学传感器与人工智能算法的结合有望突破该技术瓶颈，目前已成为科研人员聚焦的研究热点。

近日，上海大学的张建华，张磊和宋健教授团队，联合西班牙巴斯克大学Charles Lawrie教授合作撰写综述文章，成果以“Applications of Carbon‑Based Multivariable Chemical Sensors for Analyte Recognition”为题，发表于《Nano-Micro Letters》杂志。本文第一作者为上海大学微电子学院/中瑞先进技术研究院2024级博士研究生石林。

DOI：https://doi.org/10.1007/s40820-025-01741-0

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【碳基多变量化学传感器的原理剖析】

碳纳米管和石墨烯，凭借着独特的结构与卓越的性能，成为构建高性能化学传感器的理想之选。它们不仅具备高比表面积、优异的电学性能，还能与多种分析物发生特异性相互作用。碳基材料与场效应晶体管结合构建的传感器，具备多变量输出能力，能从多维度获取传感信息，极大提升了复杂环境下对多种分析物的识别能力。

从传感材料特性出发，研究人员详细探究了碳基材料的基本性质、晶圆级制备工艺及应用，明确了其作为多变量传感材料的显著优势。在传感器结构与制备工艺上，深入分析了化学电阻型和场效应晶体管型等常见传感器结构，以及与之匹配的制备流程。同时，制定了响应/恢复时间、漂移、灵敏度等一系列关键性能指标，用于定量评估传感器性能。此外，对主成分分析、线性判别分析等多种模式识别算法进行研究，筛选出适用于多变量传感的高效算法。在多变量传感机制和特征提取方面，研究发现通过改变传感器操作条件或从输出曲线提取特征，能够有效获取多变量输出，进而实现对不同分析物的精准识别。

【碳基多变量化学传感器的性能与应用】

在实际应用测试中，碳基场效应晶体管型化学传感器表现卓越。基于碳纳米管的传感器，在识别多种气体、生物标志物等方面展现出高灵敏度和选择性；基于石墨烯的传感器，利用其独特的V型转移特性曲线，对不同分析物产生特征响应，成功实现了对多种物质的精准分类和定量分析。无论是检测大气污染物，还是识别生物样本中的疾病标志物，这些传感器都表现出色，展现出巨大的应用潜力。

此次研究成果为化学传感器领域开辟了新方向。未来，碳基多变量化学传感器有望在环境监测、医疗健康等领域广泛应用，实现对污染物的实时监测、疾病的早期诊断等功能，推动相关产业的变革与发展，为人们的生活带来更多便利和保障。