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
pH（氢离子 H+，磷酸盐缓冲液）、单链DNA（ssDNA，磷酸盐缓冲液）、光/光子（light，MES缓冲液）
检测原理
该传感器以扩展栅ISFET为核心。扩展栅电极（Au/Ti或Si3N4）与电解质界面形成双电层，其开路电位Voc由界面电荷或氧化还原电位决定。pH检测时，Cat-CVD Si3N4表面硅醇/胺位点随H+浓度质子化/去质子化，界面电荷变化按Nernst方程调制MOSFET栅压；DNA检测时，固定探针与互补ssDNA杂交，磷酸骨架负电荷进入双电层，引起栅压偏移；PSI光传感时，光激发PSI反应中心P700，电子经Fe-S簇FX/FA/FB隧穿SAM进入Au电极，形成光电流/电位变化。CMOS源漏跟随器以高输入阻抗读取Voc，将mV级信号转换为VOUT。信号随被测物浓度/光强单调变化，无酶或核酸外切放大。
检测灵敏度
原文未报告 LOD、线性范围和相关系数；pH 灵敏度中值: -41 mV/pH（理论值 -57 mV/pH）；PSI 光响应: 约0.18 mV/(μW/cm2) @680 nm，30 μW/cm2 饱和；DNA 杂交电压变化: 40 mV（Au 硫醇探针）或 12 mV（Si3N4 硅烷偶联）。
效应效果
读出电路在10 nW–10 μW、30–100 °C下精度约2 mV，温度系数2×10−5 V/°C；1.2 μm单元105.3×81.4 μm²，0.18 μm可缩至9.22×7.56 μm²，预计10^6阵列功耗约100 mW。pH中值灵敏度-41 mV/pH，标准差4–9 mV。DNA检测中，Au硫醇探针固定/杂交约80/40 mV；Si3N4硅烷偶联固定/杂交约100/12 mV，反向互补<1 mV；Au漂移100 mV/h，Cat-CVD Si3N4降至2 mV/h。PSI最大信号3 mV，680 nm约0.18 mV/(μW/cm²)，30 μW/cm²饱和，SU-8使光致漂移<0.1 mV，4×4成像无串扰。作者认为适合无标记、低功耗、高密度POCT与生物成像。
传感器的构成
- 基底/换能器：标准CMOS MOSFET（N4传感晶体管）与Si基底，作为ISFET换能器，将界面电位转换为栅压。
- 扩展栅电极：Au/Ti扩展栅电极（Au 50 nm/Ti 20 nm），接触电解质并固定探针或PSI。
- 敏感绝缘层：Cat-CVD Si3N4（100 nm）pH敏感层，表面硅醇/胺位点响应H+；另有PECVD Si3N4/SiO2顶层。
- 识别元件：硫醇修饰寡核苷酸探针（5'-thiol 20-mer）或硅烷偶联寡核苷酸探针，用于互补ssDNA杂交识别。
- 生物光敏元件：光系统I（PSI，Thermosynechococcus elongatus），捕获光子并沿电子传递链转移电子。
- 自组装/保护层：MPS SAM（3-巯基-1-丙磺酸钠）静电固定PSI；SU-8（9 μm）覆盖减少光致漂移。
- 电子供体/介质：L-抗坏血酸钠（NaAs）与2,6-二氯靛酚（DCIP），为PSI提供电子。
- 参考电极：Ag/AgCl参考电极（KCl饱和溶液或Ag/AgCl涂铂），提供稳定电位参考。
- 读出电路：CMOS源漏跟随器（PMOS电流镜P1/P2、NMOS源跟随器N1-N3、源耦合对N4/N5），高输入阻抗读取Voc并输出VOUT。
中文摘要
本文报道了一种单片集成离子敏场效应晶体管（ISFFET）传感器阵列及其接口电路。为满足高密度、低功耗阵列读出需求，作者提出并实现了新型CMOS源漏跟随器，具有极高输入阻抗、低输出阻抗和稳定工作点，可在10 nW至10 μW功耗及30–100 °C温度范围内保持约2 mV精度。ISFET通过在标准MOSFET上沉积Au/Ti扩展栅电极制备，并在扩展栅上形成催化化学气相沉积（Cat-CVD）氮化硅敏感层和/或SU-8保护层。该阵列可用于：（1）通过统计分布观察时空涨落实现pH检测；（2）利用硫醇修饰或硅烷偶联寡核苷酸探针进行DNA杂交检测；（3）利用Thermosynechococcus elongatus的光系统I（PSI）将光子转换为电子，再由ISFET检测转换电荷，实现生物图像传感。论文还讨论了pH响应、DNA固定与杂交电压变化、PSI光响应及阵列成像等初步实验结果。
英文摘要
A monolithically integrated ISFET sensor array and interface circuit are described. A new high-density, low-power source-drain follower was developed for the sensor array. ISFETs were formed by depositing Au/Ti extended-gate electrodes on standard MOSFETs, then thin silicon nitride layers using catalytic chemical vapor deposition and/or SU-8 protective layers were formed on the extended-gate electrodes. Applications for the array include: (1) pH detection by statistical distribution observing time and space fluctuations; (2) DNA detection using thiol-modified or silane-coupled oligonucleotides; (3) bio-image sensing by converting photons to electrons using Photosystem I of Thermosynechococcus elongatus, and sensing the converted electric charges by ISFETs.