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
心肌肌钙蛋白I（cardiac troponin I, cTnI）；样品基质：0.1× PBS缓冲液，抗干扰实验含10%胎牛血清（FBS），临床目标为血清
检测原理
传感器采用无标记FET化学门控机制。cTnI等电点约5.2，在近中性PBS中带负电。cTnI单克隆抗体共价固定于SiNW表面，当cTnI与抗体特异性结合后，负电荷靠近SiNW沟道，通过Debye屏蔽层调制界面载流子浓度，引起SiNW FET源漏电流变化。器件工作在亚阈值区（Vg=2.5 V，Vds=0.2 V），对界面电荷最敏感。结合事件使电流变化比ΔI/I0随cTnI浓度呈对数关系，无需荧光、酶或电化学标记，直接电学读出。
检测灵敏度
LOD: 0.092 ng/mL；对数响应范围: 0.092 ng/mL–46 ng/mL；拟合式: ΔI/I0 = 0.180 + 0.065 × ln CcTnI
效应效果
空白0.1× PBS下2000 s内响应稳定；加入cTnI后约30 s出现响应，30 s内达到稳态并维持200 s以上。抗干扰实验中，以含10% FBS的0.1× PBS为背景，加入0.23 ng/mL cTnI产生约6.4%电流变化，与纯PBS中约7.0%接近，说明BSA封闭可抑制多数非特异蛋白结合。与电化学免疫、光磁、GMR和ECL等方法相比，该SiNW FET具有较宽动态范围和较低检出限，且CMOS兼容、可批量生产，适合AMI快速诊断。
传感器的构成
- 基底/换能器：SOI晶圆（p型Si/SiO2/Si），热氧化将顶层Si减薄至约50 nm，形成SiNW FET沟道，作为电学换能器
- 电极：Ni/Au（20 nm/100 nm）源漏和背栅电极，快速热退火形成欧姆接触，用于施加电压和读取电流
- 钝化层：SiO2/SiNx（100 nm/100 nm）双层钝化，PECVD沉积并开窗口，隔离水分子/离子并减少溶液短路干扰
- 表面活化层：醛基处理SiNx表面，再用APTES（3-氨基丙基三乙氧基硅烷）引入NH2，为抗体偶联提供反应位点
- 交联层：戊二醛（glutaraldehyde）连接氨基与抗体，实现共价固定
- 识别元件：cTnI单克隆抗体（anti-cTnI mAb）共价固定于SiNW表面，特异性结合cTnI
- 封闭剂：50 mM乙醇胺封闭残余醛基，1 mg/mL BSA封闭非特异结合位点，降低非特异吸附
中文摘要
本文报道了一种基于硅纳米线（SiNW）场效应晶体管（FET）的无标记生物传感器，用于电学检测急性心肌梗死（AMI）高灵敏、高特异性生物标志物心肌肌钙蛋白I（cTnI）。器件采用与CMOS兼容的自上而下工艺制备：先定义SiNW，再用四甲基氢氧化铵（TMAH）湿法刻蚀形成纳米线。电学表征显示SiNW FET具有双极性导电特性，开/关比达10^5–10^6。随后将cTnI单克隆抗体共价固定于SiNW表面，并接入自制生物传感器测量系统。该传感器对cTnI蛋白表现出快速、灵敏的响应，电流响应与cTnI浓度在46 ng/mL至0.092 ng/mL范围内呈对数关系。研究还评估了传感器的抗干扰能力。自上而下工艺为cTnI检测提供了高效、可批量生产的途径，有利于实际临床应用。
英文摘要
A label-free biosensor for electrical detection of cardiac troponin I (cTnI), a highly sensitive and selective biomarker of acute myocardial infarction (AMI), is demonstrated using silicon nanowire (SiNW) based field-effect transistors (FETs). The FET devices were fabricated by a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatible top-down approach to define the SiNW followed by tetramethylammonium hydroxide (TMAH) wet etching. Electrical characterizations of the SiNW FET revealed an ambipolar conduction characteristic with an on/off ratio of 10(5)-10(6). CTnI monoclonal antibodies were then covalently immobilized on the SiNW surfaces. By integrating with a homemade biosensor measurement system, the biosensor exhibited rapid and sensitive response to cTnI proteins. The current response showed a nature of logarithm relationship against the cTnI concentration from 46 ng/mL down to 0.092 ng/mL. Moreover, an anti-interference capability of the fabricated biosensor was also assessed. By utilizing the top-down fabrication method, this work provides an efficient way for the cTnI proteins detection with an enormous potential of mass-production, which definitely facilitate the practical applications.