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
氢离子（pH, H+）；核酸分子（LNA/DNA/PNA 杂交/交换）；样品基质：10 mM 磷酸钠缓冲液、TBE/SSC 缓冲液
检测原理
该器件以 p 型 SOI 硅 FET 为换能器。溶液 pH 改变 SiO2 表面硅醇基解离状态，或核酸探针/靶标结合改变界面电荷，使栅介质表面电势变化，调制沟道载流子浓度，源漏电流 IDS 随之改变，实现无标记电学读出。加热时，源漏短接并在背栅与源漏间施加 10 MHz 交流偏置，Debye 层内反离子在边缘电场中发生介电损耗，按 P=σE^2/2 产生局域焦耳热；仿真与荧光脱附实验表明横向热扩散 <1 μm、纵向 <3 μm。热催化可加速 PNA-LNA 杂交交换或使硅烷化探针层脱附，再用不同探针重新功能化；FAM/BHQ 荧光淬灭变化用于监测反应。
检测灵敏度
原文未报告 LOD、线性范围或 R^2；报告数值：subthreshold slopes of around 300 mV/decade, threshold voltages around -2 V, leakage current consistently stayed below 1 nA, current increases of approximately 2 orders of magnitude (pH 5.4→8.1)
效应效果
器件在干态下呈正常晶体管特性，亚阈值斜率约 300 mV/decade，阈值电压约 -2 V，漏电流稳定低于 1 nA。pH 从 5.4 升至 8.1 时，在优化偏置区源漏电流增加约 2 个数量级。加热剖面实验与仿真一致，横向空间分辨率小于 1 μm，纵向小于 3 μm。局部交换反应中，加热器件荧光平均增加约 60%，未加热相邻器件仅因光漂白轻微下降；体相交换荧光增加约 250%。选择性功能化可实现首个探针近乎完全脱附并重新固定第二种探针，相邻未加热器件变化可忽略。作者认为该平台可用于片上 PCR、可再生传感表面、单细胞局部热操作及高密度无标记多路生物传感器阵列。
传感器的构成
- 基底/换能器：SOI 硅 FET 沟道（p 型，约 300 Å 厚、2 μm 宽、10 μm 长）、SiO2 栅氧化层、源/漏掺杂区、Ti/Pt 金属接触与 Pt 流体栅电极，用于场效应电流读出
- 钝化/暴露层：PECVD 氧化层覆盖全表面，BOE 刻蚀露出传感区 SiO2，降低漏电流并允许液体接触
- 硅烷修饰层：3-氨基丙基三甲氧基硅烷（APTES）或 epoxysilane（3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷）共价连接 SiO2 与识别分子
- 表面活化层：1,4-苯基二异硫氰酸酯（PDITC）活化 APTES 氨基，用于胺基 DNA 探针偶联
- 识别元件：胺基修饰 DNA 探针（分子信标、发夹/线性探针）或赖氨酸修饰 PNA8 捕获探针，用于核酸识别
- 信号标记/监测：FAM/FITC/HEX 荧光基团与 BHQ/DABCYL 淬灭剂，用于荧光成像监测杂交、交换与功能化
- 封闭剂：BSA（1% w/w in 3×SSC）和 6-氨基-1-己醇，减少非特异吸附并封闭未反应 PDITC
中文摘要
本文展示了一种双功能硅场效应晶体管（FET）传感器-加热器的温度介导应用，并对先前提出的局部介电加热方法在器件表面的工作机制进行建模与表征。首先证明该 FET 可作为电传感器，通过离子液体中 pH 变化引起表面电荷改变而响应；随后通过实验加热剖面与仿真对比，证明同一器件可作为高度局域化的加热器。研究进一步阐明了加热机制并确定了该技术的空间分辨率。作者展示了两种跨越不同温度范围的生物传感器平台应用：一种是在晶体管表面进行的局部热介导 DNA 交换反应；另一种是利用热催化使化学功能化层完全脱附并重新附着，从而实现探针分子的高密度选择性功能化。结果表明，硅晶体管的应用可从电开关和场效应传感扩展到在晶体管自身表面执行局域温度控制的化学反应。
英文摘要
We demonstrate the temperature mediated applications of a previously proposed novel localized dielectric heating method on the surface of dual purpose silicon field effect transistor (FET) sensor-heaters and perform modeling and characterization of the underlying mechanisms. The FETs are first shown to operate as electrical sensors via sensitivity to changes in pH in ionic fluids. The same devices are then demonstrated as highly localized heaters via investigation of experimental heating profiles and comparison to simulation results. These results offer further insight into the heating mechanism and help determine the spatial resolution of the technique. Two important biosensor platform applications spanning different temperature ranges are then demonstrated: a localized heat-mediated DNA exchange reaction and a method for dense selective functionalization of probe molecules via the heat catalyzed complete desorption and reattachment of chemical functionalization to the transistor surfaces. Our results show that the use of silicon transistors can be extended beyond electrical switching and field-effect sensing to performing localized temperature controlled chemical reactions on the transistor itself.