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
三磷酸腺苷（ATP，adenosine triphosphate）；样品基质：电刺激 HeLa 细胞后的 PBS 缓冲液（细胞外液/细胞培养上清）
检测原理
Abl 酪氨酸激酶通过还原胺化共价固定于 SiNW 表面。ATP 作为带负电小分子与 Abl 激酶催化域特异性结合，使 SiNW 表面负电荷密度增加。由于 p 型 SiNW-FET 的沟道电导对表面势敏感，负电荷增加导致空穴浓度/电导上升，源漏电流 IDS 增大。低离子强度缓冲液 Debye 长度约 211.5 nm，信号较强；高离子强度 PBS 中 Debye 长度约 0.7 nm，反离子屏蔽部分 ATP 电荷，灵敏度下降但选择性提高。检测无需荧光/酶标记，通过半导体参数分析仪实时监测电导变化，ATP 浓度越高，结合事件越多，电导增量越大。
检测灵敏度
LOD: 1 pM（低离子强度缓冲液）；LOD: 1 nM（高离子强度缓冲液）
效应效果
该传感器对 ATP 具有特异性，未修饰 SiNW-FET 在低/高离子强度缓冲液中仅出现与浓度几乎无关的微弱电导变化，表明非特异结合可忽略；高离子强度 PBS 中 Debye 屏蔽虽使灵敏度由 1 pM 降至 1 nM，但选择性显著提高。电刺激（1 V、50 Hz、10 min）使 HeLa 细胞 ATP 释放增加约 18.4 倍，光学显微镜未见明显细胞形态损伤。将 10 μL 电刺激后 PBS 加到传感器上，Abl 修饰器件电导增加 1.24 ± 0.04%，未修饰器件无显著变化；三个不同器件/细胞芯片结果一致，显示可重复性。相比荧光素酶法需取样后发光检测，该 FET 方案可无标记、实时监测细胞释放的 ATP，适用于活细胞代谢/电信号研究。
传感器的构成
- 基底/换能器：SOI 晶圆（silicon on insulator, SOI），含 150 nm 埋氧层（BOX）与 30 nm 顶硅膜，提供绝缘基底与 p 型 SiNW 沟道
- 纳米线晶体管：硅纳米线（SiNW，宽 50–100 nm、长 10 μm），硼离子掺杂形成 p 型沟道，Au/Ti 源漏电极与 SU-8 保护层，用于电导读出
- 表面清洁层：UV/ozone 处理 SiNW 表面，生成羟基以增强硅烷偶联
- 硅烷修饰层：3-(trimethoxysilyl)propyl aldehyde 硅烷化层，在 SiNW 表面引入醛基
- 识别元件：Abl tyrosine kinase（Abl 酪氨酸激酶，5 μg/mL），经 sodium cyanoborohydride 还原胺化共价偶联，特异性结合 ATP
- 封闭剂：15 mM Tris buffer（pH 7.5），封闭未反应醛基
中文摘要
本研究采用 Abl 酪氨酸激酶修饰的硅纳米线场效应晶体管（SiNW-FET）生物传感器芯片，检测电刺激 HeLa 细胞释放的三磷酸腺苷（ATP）。由于在高离子强度培养基或缓冲环境中培养的细胞常降低 SiNW-FET 传感器的灵敏度与选择性，作者首先比较了该芯片在低、高离子强度缓冲液中的性能。随后，在带有叉指电极的细胞培养芯片上培养 HeLa 细胞，并用正弦波（1.0 V、50 Hz、10 min）进行电刺激。电刺激后细胞外 ATP 浓度提高约 18.4 倍。最后，从细胞培养芯片中取出少量含细胞外 ATP 的缓冲液并引入生物传感器芯片，利用 Abl 修饰 SiNW-FET 对 ATP 的特异性结合引起表面电荷变化，实现无标记、实时检测。结果表明，该传感器可在低离子强度缓冲液中达到约 1 pM 检出限，在高离子强度缓冲液中达到约 1 nM，并能检测电刺激后细胞释放的 ATP。
英文摘要
In this study, we used a biosensor chip featuring Abl tyrosine kinase-modified silicon nanowire field-effect transistors (SiNW-FETs) to detect adenosine triphosphate (ATP) liberated from HeLa cells that had been electrically stimulated. Cells that are cultured in high-ionic-strength media or buffer environments usually undermine the sensitivity and selectively of SiNW-FET-based sensors. Therefore, we first examined the performance of the biosensor chip incorporating the SiNW-FETs in both low- and high-ionic-strength buffer solutions. Next, we stimulated, using a sinusoidal wave (1.0 V, 50 Hz, 10 min), HeLa cells that had been cultured on a cell-culture chip featuring interdigitated electrodes. The extracellular ATP concentration increased by ca. 18.4-fold after electrical stimulation. Finally, we detected the presence of extracellular ATP after removing a small amount of buffer solution from the cell-cultured chip and introducing it into the biosensor chip.