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
H5N1禽流感病毒来源寡核苷酸（H5N1 avian influenza virus-derived oligonucleotide，18-mer ssDNA）；样品基质：0.1 mM PBS（pH 7.4）缓冲液，杂交使用5×SSC含0.1% SDS。
检测原理
硫醇修饰的DNA探针通过Au-S键固定在Au工作电极上。当目标DNA与探针杂交时，双链DNA磷酸骨架使电极界面负电荷增加。在低离子强度缓冲液中，电荷变化位于Debye长度内，通过静电感应在工作电极中产生感应电荷，并改变高阻节点的表面电势。差分结构比较仅固定探针的电极与杂交电极之间的电势差，排除热噪声、漂移、非特异结合和电解质组成变化等共模干扰。高阻电压缓冲电路将感应电荷转移至全差分积分器，以50,000 cycles/s进行多次电荷积累，最大积累时间170 ms，提高信噪比；1-bit ADC将积累信号数字化，输出随目标浓度变化的积累时间。
检测灵敏度
LOD: 100 pM；表面电势检测限: 36 μV；可检测范围: 88.3 dB；目标DNA浓度范围: 0.1–100 nM（Table 1）
效应效果
器件采用差分架构，可抑制热波动、漂移、非特异结合和电解质组成变化等共模噪声。在参考电压0.9–2.9 V范围内，100 pM目标DNA的杂交信号保持稳定，积累时间标准偏差仅0.57 ms。传感器可区分完全互补与单碱基错配的18-mer寡核苷酸（1 nM），非互补DNA（1 μM）作为阴性对照。检测限为100 pM，表面电势检测限36 μV，可检测范围88.3 dB。与Table 1中其他场效应DNA传感器相比，该器件集成读出电路、无需Ag/AgCl参考电极，可检测更低浓度目标DNA，作者认为其具有低成本、高集成和即时诊断应用潜力。
传感器的构成
- 基底/换能器：p型硅CMOS芯片，集成金属电极与读出电路，提供半导体衬底和电路平台
- 工作电极：Au（金，100 nm）修饰Cr（铬，20 nm）粘附层，暴露于分析液，固定DNA探针并感应表面电荷
- 参考电极：Al（铝，CMOS裸铝），确定分析液电势，无需Ag/AgCl额外工艺
- 绝缘/保护层：Si3N4（氮化硅）隔离保护读出电路免受电解质影响
- 识别元件：硫醇修饰单链DNA探针（18-mer，H5N1互补序列，含(CH2)6间隔臂），通过Au-S键固定于Au工作电极
- 封闭剂：mercapto hexanol（巯基己醇，10 mM乙醇溶液）封闭未反应Au表面，减少非特异结合
- 读出电路：电压缓冲电路、全差分开关电容积分器、1-bit ADC（比较器、计数器、移位寄存器），积累并数字化表面电势差
中文摘要
本文报道一种用于检测DNA杂交的无标记生物传感器。该传感器采用直接电荷积累法测量寡核苷酸修饰电极上的表面电势，直接且可重复地测量工作电极中由固定分子固有负电荷诱导的电荷。通过电荷积累的过采样效应和差分结构，器件提高了信噪比，并不同于传统离子敏感场效应晶体管（ISFET），对参考电压的轻微变化不敏感，因而可选用多种参考电极材料。器件通过0.35 μm CMOS工艺将工作电极、参考电极和读出电路集成于同一封装中。传感器对表面电势的可检测范围为88.3 dB，检测限为36 μV。实验证明其可特异性检测来源于H5N1禽流感病毒的寡核苷酸序列，检测限为100 pM，并完成了18-mer寡核苷酸单碱基错配测试。
英文摘要
This paper reports a label-free biosensor for the detection of DNA hybridization. The proposed biosensor measures the surface potential on oligonucleotide modified electrodes using a direct charge accumulation method. The sensor directly and repeatedly measures the charges induced in the working electrode, which correspond to intrinsic negative charges in immobilized molecules. The sensor achieves an improved signal-to-noise ratio (SNR), through the oversampling effect of accumulation for charges and the differential architecture. The sensor also shows stable, robust, and reproducible measurement independent of slight changes in the reference voltage, unlike previous ion-sensitive field effect transistors (ISFETs), providing the benefits of choosing a wide variety of reference electrode materials. The proposed device is integrated with working electrodes, a reference electrode and readout circuits into one package via a 0.35 μm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process. The sensor achieves a detectable range of 88.3 dB and a detection limit of 36 μV for surface potential. It is demonstrated that the sensor successfully achieves specific detection of oligonucleotide sequences derived from the H5N1 avian influenza virus. The experiments show a limit of detection of 100 pM and include a single-base mismatch test in 18-mer oligonucleotides.