组成图示
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传感器类型
场效应晶体管(FET)生物传感器
检测对象
L-谷氨酸（L-glutamate）、谷氨酸钠（MSG）；样品基质：pH 7.4 PBS 缓冲液（另以葡萄糖、DNA 验证）
检测原理
该传感器以谷氨酸氧化酶（GOx）为识别元件，固定在 swCNT 网络下方的 SiO2 表面。当 L-谷氨酸进入溶液时，GOx 催化其氧化，生成 α-酮戊二酸、过氧化氢和氨/铵离子。对照实验表明，过氧化氢和 α-酮戊二酸不改变 swCNT 电导，而氨/铵离子作为阳离子吸附或离子门控 swCNT 网络，引起 p 型掺杂/载流子调制，使网络电导下降。swCNT 网络作为可变电阻接入 CMOS RC 充放电电路，电导变化改变充放电时间，计数器将充放电频率 f 读出；由于 f 正比于电导 G，响应可表示为 |Δf|/f0 = |ΔG|/G0。谷氨酸浓度越高，酶反应产生的氨越多，电导下降和频率变化越大，从而实现检测。
检测灵敏度
原文未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率或 R^2。
效应效果
芯片集成 64 个 swCNT 传感器，分为 4 个独立 8×8 阵列，其中 36 个结处于电路可用范围。无 GOx 对照对 L-谷氨酸无响应，显示选择性；过氧化氢和 α-酮戊二酸不干扰，氨/铵离子为主要信号。酶固定对频率影响较小，说明基底功能化保持电学性能。同一策略可检测 1 mM 谷氨酸钠（MSG），并构建葡萄糖和 DNA 传感器；DNA 实验中 13 nM 互补链使电导下降约 30%，22 nM 非互补链无变化。0.01–1 mM L-谷氨酸注入后响应分布向高值移动并变宽，缩放关系 |Δf|/f0 ∝ f0^n（0>n>-0.5）与高精度前置放大器一致。作者认为可拓展至芯片实验室神经培养和植入式实时监测。
传感器的构成
- 基底/换能器芯片：0.18 μm CMOS 信号处理芯片，含 CMOS 晶体管层、互连层、Al 焊盘及 SiO2/Si3N4 钝化层，提供电路与电极焊盘
- 图案化疏水层：十八烷基三氯硅烷（OTS）自组装单层，经光刻图案化，阻止 swCNT 非目标吸附并暴露裸 SiO2/Al 区域
- 纳米换能层：单壁碳纳米管（swCNT）网络，选择性吸附于裸 SiO2/Al 区域，形成源漏间导电网络/可变电阻
- 源漏电极：Au(30 nm)/Ti(10 nm) 电极，lift-off 制备，接触 swCNT 网络并连接 CMOS 电路
- 识别元件：谷氨酸氧化酶（GOx），催化 L-谷氨酸反应，提供选择性识别
- 固定/交联层：3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）硅烷化 SiO2，戊二醛（glutaraldehyde）交联固定 GOx
- 信号分子：氨/铵离子（NH3/NH4+），GOx 反应副产物，吸附/门控 swCNT 网络并降低电导
- 读出电路：CMOS RC 充放电电路、反相器链、NAND 门、计数器与多路复用，将电导变化转换为频率信号
中文摘要
本文报道了一种用于检测神经递质的碳纳米管（CNT）生物传感器系统级芯片（SoC）。该芯片将 64 个单壁碳纳米管（swCNT）传感器与基于 0.18 μm CMOS 的信号处理电路集成于同一硅基芯片中，突破了高效信号处理、均匀 CNT 网络组装以及生物相容性功能化等关键技术。芯片采用无连接剂定向组装策略，在图案化十八烷基三氯硅烷（OTS）自组装单层暴露的裸 SiO2/Al 区域选择性吸附 swCNT，形成均匀导电网络，并通过 Au/Ti 源漏电极接入 CMOS 电路。识别元件谷氨酸氧化酶（GOx）通过 3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和戊二醛固定在 CNT 下方的 SiO2 表面，避免直接修饰 CNT。检测 L-谷氨酸时，GOx 催化反应产生氨/铵离子，后者吸附并门控 swCNT 网络，使其电导下降；CMOS RC 充放电电路将电导变化转换为频率信号，经计数器、多路复用和数据采集系统读出。该 SoC 实现了高密度 CNT 生物传感器与微电子电路的单芯片集成，可进一步扩展至芯片实验室和神经网络监测应用。
英文摘要
We developed a carbon nanotube (CNT)-based biosensor system-on-a-chip (SoC) for the detection of a neurotransmitter. Here, 64 CNT-based sensors were integrated with silicon-based signal processing circuits in a single chip, which was made possible by combining several technological breakthroughs such as efficient signal processing, uniform CNT networks, and biocompatible functionalization of CNT-based sensors. The chip was utilized to detect glutamate, a neurotransmitter, where ammonia, a byproduct of the enzymatic reaction of glutamate and glutamate oxidase on CNT-based sensors, modulated the conductance signals to the CNT-based sensors. This is a major technological advancement in the integration of CNT-based sensors with microelectronics, and this chip can be readily integrated with larger scale lab-on-a-chip (LoC) systems for various applications such as LoC systems for neural networks.