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
溶液 pH（氢离子浓度，pH/H+），样品基质：10 mM PBS 缓冲液
检测原理
检测基于液门控纳米线场效应晶体管。PBS 溶液 pH 升高时，SiO2 表面 SiOH 基团去质子化生成 SiO−，使溶液–SiO2 界面负电荷密度增加，产生表面电位变化 Δψox。该界面电位通过氧化层电容 Cox 与纳米线电容 CNW 的串联电容耦合传递到 n 型 poly-Si 沟道，改变沟道载流子浓度与电导。由于亚阈值区电导随 Vlg 呈指数变化，gm/G 最大，灵敏度最高；但离子溶液漏电路径与沟道电导并联，在低电导区稀释响应，导致灵敏度下降。最终由锁相放大器读出电导相对变化 ΔG/G。
检测灵敏度
亚阈值摆幅: 132 mV/dec；pH 7.5→8.5 的 Δψox: 约 -10.5 mV；亚阈值区相对阈值区灵敏度增强: 7倍；离子漏导: 约 4 × 10−9 S
效应效果
器件在 pH 7.5 到 8.5 切换时呈现实时电导响应，气泡扰动证实信号变化与 pH 变化同步。阈值电压为 1.23 V，亚阈值摆幅为 132 mV/dec；在 Vlg=1.06 V 附近 gm/G 最大，亚阈值区灵敏度较阈值区提高约 7 倍。离子漏导约 4×10−9 S，在低电导区造成明显灵敏度退化并压缩亚阈值工作窗口。pH 7.5→8.5 提取的 Δψox 约 -10.5 mV，低于 Nernst 理想值 -60 mV/pH。作者认为该方法可在生物测量前优化 NW 生物传感器灵敏度，面向超高灵敏检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：Si 衬底，提供器件基础与绝缘隔离
- 绝缘/栅介质层：100 nm SiO2 与 80 nm Si3N4，形成绝缘层与假栅结构，参与液门电容耦合
- 半导体沟道：n 型多晶硅（poly-Si）纳米线，作为一维导电沟道，表面电位变化调制电导
- 源漏电极：离子注入低阻 poly-Si 源/漏（S/D）接触区，提供电流注入与读出
- 钝化层：150 nm SiO2 覆盖 S/D 接触，降低漏电流与溶液环境噪声
- 识别/敏感界面：SiO2 表面硅醇（SiOH）基团，随 pH 去质子化为 SiO−，产生表面负电荷与表面电位变化
- 液门电极：金（Au）微线，插入 PBS 溶液，作为液门电极施加 Vlg，抑制电化学反应
- 电解液：10 mM PBS 缓冲液，提供离子导电环境与 pH 刺激
中文摘要
本文利用液门控方法研究纳米线（NW）生物传感器的灵敏度，面向超灵敏生物检测应用。作者建立了生物传感器系统的等效电容模型，分析灵敏度对液门电压（Vlg）的依赖关系，并指出该依赖受纳米线电容与薄氧化层电容之间电容竞争的影响。实验采用 n 型多晶硅纳米线器件，在 PBS 溶液中通过改变 pH 使 SiO2 表面硅醇基团去质子化，产生表面电位变化并调制沟道电导。结果表明，在亚阈值区施加合适的 Vlg 时可获得最高灵敏度；然而，离子溶液中的漏电路径会显著降低灵敏度，并压缩亚阈值工作窗口。
英文摘要
We have used liquid-gating to investigate the sensitivity of nanowire (NW)-based biosensors for application in the field of ultrasensitive biodetection. We developed an equivalent capacitance model of the biosensor system to explore the dependence of the sensitivity on the liquid-gate voltage (V(lg)), which was influenced by capacitive competition between the NW capacitance and the thin oxide capacitance. NW biosensors with highest sensitivity were obtained when we operated the device in the subthreshold regime while applying an appropriate value of V(lg); the influence of leakage paths through the ionic solutions led, however, to significant sensitivity degradation and narrowed the operating window in the subthreshold regime.