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
人免疫球蛋白G（human immunoglobulin G, hIgG）；样品基质：0.1×PBS 缓冲液（低离子强度溶液）
检测原理
传感器以 n 型硅纳米线（n-SiNW）为 FET 沟道，表面经 APTES 和戊二醛固定 anti-hIgG。当 hIgG 与抗体结合后，蛋白质表面电荷进入纳米线德拜屏蔽层，改变沟道表面势和载流子浓度，使源漏电流 I_sd 相对基线 I0 发生可逆变化。检测在 0.1×PBS 低离子强度下进行，以减弱溶液离子对表面电荷的屏蔽。信号无酶放大，灵敏度定义为 (I-I0)/I0，并与 log[hIgG] 呈线性关系。多纳米线器件因分析物竞争结合和局部耗竭而灵敏度下降；低掺杂减少载流子屏蔽，小直径增强表面电荷对沟道的调制，因此灵敏度更高。
检测灵敏度
LOD: ~10 fg/mL（10^17 atoms/cm3 单纳米线）vs ~10 pg/mL（10^19 atoms/cm3 单纳米线）；线性范围: 10 fg/mL–10 μg/mL（log[hIgG]）；灵敏度: 0.05 per decade（单纳米线，10^19 atoms/cm3）；0.16 per decade（单纳米线，10^17 atoms/cm3）；0.031 per decade（4纳米线）；0.009 per decade（7纳米线）；0.12–0.19 per decade（直径60–120 nm）
效应效果
电学测试信号稳定，SEM未见裂纹；10个同批单纳米线器件平均电导1.06×10^-7 S，方差2.30×10^-15 S（σ=4.79×10^-8）。制备良率>95%，失败率约5%。与单纳米线相比，4根和7根纳米线器件灵敏度分别降低约38%和82%；直径81–100 nm和101–120 nm器件相比60–80 nm分别降低约16%和37%；掺杂从10^17增至10^19 atoms/cm3使灵敏度降低约69%，低掺杂灵敏度提高约3.2倍，LOD由~10 pg/mL降至~10 fg/mL。差异均p<0.05，作者认为可指导nano-FET优化。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：重掺杂硅片（degenerately doped Si wafer）上 2000 nm 热氧化层（SiO2）与 200 nm Al 源漏电极，提供绝缘基底、欧姆接触和源漏电流通道
- 纳米换能层：磷掺杂 n 型硅纳米线（n-SiNWs，直径 60–120 nm，掺杂 10^17 或 10^19 atoms/cm3），桥接源漏电极并作为 FET 沟道
- 表面偶联层：2% 3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和 3% 戊二醛（glutaraldehyde），在 SiO2/SiNW 表面形成氨基和醛基以固定抗体
- 识别元件：抗人免疫球蛋白 G 抗体（anti-human IgG, anti-hIgG），特异性捕获 hIgG
- 封闭剂：100 mM 乙醇胺（ethanolamine, PBS pH 8.4）封闭未反应醛基，并用 0.5% Tween-20/PBS 清洗
- 样品/微流控层：PDMS 微流控通道（5 mm×1 mm×0.4 mm）与 0.1×PBS 缓冲液，限制功能化面积并输送样品
- 信号标记物：无标记（label-free）；荧光标记 anti-hIgG（Alexa Fluor-488）仅用于功能化验证，不参与传感信号
中文摘要
半导体纳米线生物传感器可实现生物分子的无标记检测，纳米场效应晶体管（nano-FET）已展现出对蛋白质、核酸和病毒的高灵敏度。已有研究多基于理论预测提出器件设计方法，但关于纳米线直径、掺杂密度和数量对 nano-FET 灵敏度影响的实验研究较少。本研究提出一种结合平行制备策略与扫描电子显微镜内纳米操纵后处理的方法，用于构建纳米线参数（直径、掺杂密度和数量）可控的 nano-FET 生物传感器。实验定量揭示了上述参数对灵敏度的影响：与单纳米线器件相比，4 根和 7 根纳米线器件灵敏度分别降低约 38% 和 82%；直径为 81–100 nm 和 101–120 nm 的器件相比 60–80 nm 器件灵敏度分别降低约 16% 和 37%；掺杂密度从 10^17 增至 10^19 atoms/cm^3 时灵敏度降低约 69%。结果表明，控制纳米线性质对最大化灵敏度并降低器件间性能差异具有重要意义。
英文摘要
Semiconductive nanowire-based biosensors are capable of label-free detection of biological molecules. Nano-FET (field-effect transistor) biosensors exhibiting high sensitivities toward proteins, nucleic acids, and viruses have been demonstrated. Rational device design methodologies, particularly those based on theoretical predictions, were reported. However, few experimental studies have investigated the effect of nanowire diameter, doping density, and number on nano-FET sensitivity. In this study, we devised a fabrication process based on parallel approaches and nanomanipulation-based post-processing for constructing nano-FET biosensor devices with carefully controlled nanowire parameters (diameter, doping density, and number). We experimentally reveal the effect of these nanowire parameters on nano-FET biosensor sensitivity. The experimental findings quantitatively demonstrate that device sensitivity decreases with increasing number of nanowires (4 and 7 nanowire devices exhibited a ∼38 and ∼82% decrease in sensitivity as compared to a single-nanowire device), larger nanowire diameters (sensors with 81-100 and 101-120 nm nanowire diameters exhibited a ∼16 and ∼37% decrease in sensitivity compared to devices with nanowire diameters of 60-80 nm), and higher nanowire doping densities (∼69% decrease in sensitivity due to an increase in nanowire doping density from 10(17) to 10(19) atoms·cm(-3)). These results provide insight into the importance of controlling nanowire properties for maximizing sensitivity and minimizing performance variation across devices when designing and manufacturing nano-FET biosensors.