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
互补DNA（cDNA，目标DNA）；样品基质：缓冲溶液
检测原理
该传感器采用无标记 FET 检测机制。单链 DNA（ssDNA）受体固定于双栅场效应晶体管（DGFET）表面，目标互补 DNA（cDNA）在缓冲液中扩散至表面并发生特异性杂交。由于 DNA 在生理条件下带负电，杂交事件改变传感器表面电荷分布和静电环境，通过顶栅/流体栅调制硅沟道电导，使漏极电流（Id）发生可测变化。灵敏度受分析物浓度、缓冲离子浓度、pH、表面基团解离常数和流体栅压影响：约 1 nM 后响应显著，缓冲离子增加引起静电屏蔽而降低灵敏度，流体栅压可线性增强信号。双栅结构中的浮动栅可进一步调制溶液电荷，提高检测能力。
检测灵敏度
原文未报告明确 LOD、线性范围、灵敏度斜率或 R^2；仅报告分析物浓度约 1 nM 后响应显著，且灵敏度与流体栅压呈线性关系。
效应效果
该工作以数值仿真评估 DGFET DNA 生物传感器性能。选择性来自 ssDNA 与 cDNA 的特异性杂交，非特异吸附和离子浓度被视为噪声来源。缓冲离子浓度升高会降低漏极电流响应，表明存在静电屏蔽；pH 升高总体降低灵敏度，但在 pH 5.76 时不同表面基团密度下响应相同。正表面基团（-NH2）对漏极电流的影响强于羟基（-OH）。提高分析物浓度和受体密度可改善信噪比，受体尺寸增大也有帮助，但低受体密度时作用有限。作者认为 DGFET 相比悬臂梁、SPR 和阻抗法具有更简单、低成本、高通量和芯片集成潜力，适用于 DNA 检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：硅体（silicon body）与双栅场效应晶体管（DGFET）结构，作为半导体沟道和电荷感应换能器
- 绝缘栅层：顶氧化层（top oxide, 0.04 μm）与背氧化层（back oxide, 15 μm），隔离半导体表面并保护 CMOS 前端工艺
- 微流控通道：微流控通道（microfluidic channel），容纳液体分析物并实现目标 DNA 扩散
- 识别元件：单链 DNA 受体（ssDNA）功能化于传感器表面，特异性结合互补 DNA（cDNA）
- 表面化学基团：氨基（-NH2）或羟基（-OH）等表面功能化基团，调节表面电荷与 pH 响应
- 信号读出：漏极电流（drain current, Id）与电导变化，通过 FET 电学特性读出检测信号
中文摘要
研究有机生物分子与半导体表面相互作用对场效应晶体管（FET）生物传感器设计的重要性。本文提出采用双栅场效应晶体管（DGFET）进行 DNA 检测，并系统考察分析物浓度、缓冲离子浓度、pH、表面基团解离常数及流体栅压等参数对灵敏度与信噪比的影响。结果表明，以漏极电流变化表征的灵敏度在分析物浓度超过约 1 nM 后呈非线性增加，随缓冲离子浓度增加呈非线性下降，而与流体栅压呈线性关系；正表面基团（-NH2）对漏极电流的影响强于负表面基团（-OH）。在 pH 5.76 时，不同表面基团密度下传感器响应相同，但总体响应随 pH 升高而降低。提高分析物浓度和受体密度可改善信噪比。该工作为高灵敏度 DGFET DNA 生物传感器的设计与性能优化提供依据。
英文摘要
The study of interactions between organic biomolecules and semiconducting surfaces is an important consideration for the design and fabrication of field-effect-transistor (FET) biosensor. This paper demonstrates DNA detection by employing a double-gate field effect transistor (DGFET). In addition, an investigation of sensitivity and signal to noise ratio (SNR) is carried out for different values of analyte concentration, buffer ion concentration, pH, reaction constant, etc. Sensitivity, which is indicated by the change of drain current, increases non-linearly after a specific value (~ 1 nM) of analyte concentration and decreases non-linearly with buffer ion concentration. However, sensitivity is linearly related to the fluidic gate voltage. The drain current has a significant effect on the positive surface group (-NH(2)) compared to the negative counterpart (-OH). Furthermore, the sensor has the same response at a particular value of pH (5.76) irrespective of the density of surface group, although it decreases with pH value. The signal to noise ratio is improved with higher analyte concentrations and receptor densities.