组成图示
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传感器类型
表面等离子共振(SPR)生物传感器
检测对象
NeutrAvidin（中性亲和素），样品基质为 10 mM Hepes 缓冲液（pH 7.4）
检测原理
传感器基于金纳米盘的局域表面等离子共振（LSPR）对局部折射率的敏感性。金盘表面通过硫醇化 PEG 自组装固定生物素，周围 SiN 用 PLL-g-PEG 钝化。当 NeutrAvidin 与生物素特异性结合时，金盘附近生物分子层厚度增加，局部折射率升高，使 LSPR 共振峰发生红移。由于 780 nm LED 位于共振峰右侧高斜率区，红移导致该波长处消光增加、透射到硅光电二极管的光强降低，因而等离子体二极管光电流下降。芯片同时读取未图案化参考二极管，以 Iplasmon/Iref 比值消除 LED 强度漂移。结合量越大，局部折射率变化越大，光电流比下降越明显，从而实现实时无标记检测。
检测灵敏度
峰值位置灵敏度: around 133 nm RIU−1；透射灵敏度: 78%/RIU（712 nm）和 −70%/RIU（772 nm）；光电流比灵敏度: −0.29 RIU−1；灵敏度标准差: 0.01 RIU−1（约3.5%）；信噪比: approximately 20（0.8 Hz）
效应效果
光学反射比与电学光电流比在等离子体共振处高度一致，验证了集成电检测可行性。三片芯片的体相灵敏度标准差小于0.01 RIU−1，相对标准差约3.5%。内置参考二极管可抵消 LED 漂移，使光电流比信噪比约20（采集率约0.8 Hz）；参考信号在加入 NeutrAvidin 时无明显变化，表明信号来自金盘 LSPR 而非背景。材料特异性 PEG 修饰抑制 SiN 非特异吸附，提高选择性。但使用高于生理盐浓度缓冲液时出现漂移或尖峰，提示绝缘缺陷需改进。作者认为该芯片结构简单、成本低，适合手持式、即时医疗诊断及多路复用扩展。
传感器的构成
- 基底/换能器：380 μm n型硅片（Si (100)），离子注入形成2 mm×0.14 mm p型区，构成四个独立硅光电二极管/太阳能电池，负责将光强变化转换为光电流。
- 电极层：Al 电极覆盖二极管区并延伸至接触垫，背面溅射 Ti/Au 作为背电极，用于电学连接与电流读出。
- 绝缘/钝化基底：PECVD 沉积 30 nm SiO2 与 60 nm SiN，覆盖除接触垫外区域，提供电绝缘；SiN 作为周围表面并被 PLL-g-PEG 钝化。
- 纳米材料修饰层：短程有序金纳米盘（Au nanodisks，直径110 nm、高20 nm），经 1 nm Cr 粘附层与孔掩模胶体光刻制备，提供 LSPR 传感界面。
- 识别元件：金盘上自组装 0.3 mg/mL 的 4:1 混合 thiolPEG（3 kDa）与 thiolPEGbiotin（5 kDa），生物素化 PEG 提供 NeutrAvidin 结合位点，非生物素 PEG 抗非特异吸附。
- 封闭/钝化层：0.01 mg/mL PLL-g-PEG 结合 SiN，阻止 NeutrAvidin 等非特异吸附到金盘周围区域，降低背景。
- 参考换能器：两个未图案化硅光电二极管，提供 Iref，用于计算 Iplasmon/Iref 并抵消光源漂移。
- 信号标记物：无外源标记物，采用无标记 LSPR 检测，NeutrAvidin 结合本身改变局部折射率。
中文摘要
本文报道了一种集成电检测的纳米等离子体生物传感器芯片。该芯片将直径110 nm、高20 nm的金纳米盘通过平行胶体光刻直接制备在硅太阳能电池或光电二极管阵列上，利用金纳米盘局域表面等离子共振对周围介质局部折射率的敏感性实现无标记检测。作者对芯片进行了光学与电学表征，两者结果高度一致。当环境局部折射率改变时，金纳米盘的等离子体共振发生红移，在单波长下改变到达光电二极管的光强，从而引起光电流变化。芯片包含两个图案化等离子体二极管和两个未图案化参考二极管，通过光电流比消除光源漂移。采用简单的高强度发光二极管作为光源，并结合材料特异性表面修饰方案，该芯片的光电流输出可实时监测特定生物识别反应，例如NeutrAvidin与表面生物素的结合。该概念有望用于低成本、小型化即时检测。
英文摘要
A nanoplasmonic biosensor chip with integrated electrical detection is presented. The concept is based on the local refractive index sensitivity of nanoplasmonic gold nanodisks (110 nm in diameter and 20 nm in height) that are fabricated, through a parallel method, directly on an array of silicon solar cells or photoactive diodes. The nanoplasmonic properties of the sensor chip were investigated both optically and electrically, with excellent agreement between the two. We show that local changes in the refractive index of the surrounding environment gives changes in the nanoplasmonic properties of the gold nanodisks, which induce corresponding changes in the photocurrent at single wavelengths of the nanoplasmonic solar cells. With a simple light-emitting diode as light source, and together with a material-specific modification protocol, the photocurrent output of the nanoplasmonic sensor chip was successfully used to monitor a specific biorecognition reaction in real-time.