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
目标DNA（target DNA/cDNA）、单碱基错配DNA（one-base mismatched DNA）、非互补DNA（noncDNA）、禽流感H1N1/H5N1病毒DNA片段；样品基质为0.1×PBS缓冲液
检测原理
该传感器基于SiNW-FET的栅极电场调制机制。n型SiNW表面先形成SiO2栅介质，再经APTES硅烷化并用EDC/NHS共价固定5'-羧基DNA探针。目标DNA与探针杂交后，带负电的磷酸骨架位于栅介质界面，改变SiNW表面势并耗尽载流子，使漏源电流下降。由于SiNW尺寸小、比表面积高，少量结合电荷即可引起明显电导变化；在0.1×PBS低离子强度下Debye长度较长，表面电荷信号更强。电流变化ΔI/I0随目标DNA浓度对数单调增加，因此可实时、无标记地检测浓度变化。该检测为无标记直接电学检测，未使用酶催化或核酸扩增等额外放大策略。p型与n型SiNW阵列同时工作，可通过响应相关性区分串扰和假阳性信号。
检测灵敏度
LOD: 1 fM；浓度响应范围: 1 fM–1 nM（原文系列浓度）
效应效果
该传感器表现出高选择性和实时无标记检测能力。未修饰SiNW-FET在目标DNA下无明显电流变化，说明非特异性结合低；100 nM非互补DNA未引起显著电流变化，而1 nM完全互补目标DNA使电流下降近50%。1 μM单碱基错配DNA仅引起约20%电流变化，显示单核苷酸多态性（SNP）识别能力。多路检测中，分别固定H1N1和H5N1探针的两根SiNW可分别选择性响应10 nM对应靶标，而不响应另一靶标。p型与n型器件同芯片集成，有助于区分电学串扰和假阳性。原文未报告RSD、长期稳定性或实际样品回收率。作者认为该CMOS兼容、可批量制备的小型阵列适合实时、无标记生物分子检测和潜在即时检测应用。
传感器的构成
- 基底/换能器：商用(100) SIMOX SOI硅片，轻硼掺杂5×10^15 cm^-3，提供p/n型SiNW-FET通道与栅极界面
- 纳米线通道：单晶硅纳米线(SiNW)，三角形截面，宽约20–200 nm，长6 μm，作为FET导电通道
- 栅介质层：热氧化SiO2（30 nm），覆盖SiNW表面，作为FET栅介质并暴露可功能化表面
- 表面硅烷化层：(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)修饰Si(111)面，提供氨基用于共价偶联
- 识别元件：5'-羧基修饰单链DNA探针(ssDNA capture probe)，经EDC/NHS与APTES氨基偶联，特异性捕获目标DNA
- 信号标记物：无（label-free检测，直接读取FET电流变化）
- 读出系统：Keithley 4200半导体参数分析仪，在设定VDS/VGS下读取SiNW-FET漏源电流
中文摘要
本文报道了一种新型半导体硅纳米线场效应晶体管（SiNW-FET）生物传感器阵列，用于核酸的超灵敏、无标记和实时电学检测。作者采用与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的各向异性自停止湿法刻蚀技术，自上而下制备出尺寸均一、高长径比的单晶硅纳米线阵列。硅纳米线具有三角形截面，宽度可控制在20–200 nm，表面具有较高比表面积，并可在同一芯片上集成p型和n型器件。硅纳米线表面经热氧化形成SiO2栅介质，并用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）硅烷化后，通过EDC/NHS将5'-羧基单链DNA探针共价固定。当目标DNA与探针杂交时，负电荷磷酸骨架改变栅极界面电场，使n型SiNW-FET漏源电流发生浓度依赖的下降，从而实现实时监测。该传感器可检测低至1 fM的目标DNA，并具备单碱基错配识别能力；作为多路检测概念验证，实现了禽流感H1N1和H5N1两种病毒DNA片段的同步选择性检测。
英文摘要
We herein report the design of a novel semiconducting silicon nanowire field-effect transistor (SiNW-FET) biosensor array for ultrasensitive label-free and real-time detection of nucleic acids. Highly responsive SiNWs with narrow sizes and high surface-to-volume-ratios were "top-down" fabricated with a complementary metal oxide semiconductor compatible anisotropic self-stop etching technique. When SiNWs were covalently modified with DNA probes, the nanosensor showed highly sensitive concentration-dependent conductance change in response to specific target DNA sequences. This SiNW-FET nanosensor revealed ultrahigh sensitivity for rapid and reliable detection of 1 fM of target DNA and high specificity single-nucleotide polymorphism discrimination. As a proof-of-concept for multiplex detection with this small-size and mass producible sensor array, we demonstrated simultaneous selective detection of two pathogenic strain virus DNA sequences (H1N1 and H5N1) of avian influenza.