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
链霉亲和素（streptavidin，PBST缓冲液，PBS含0.05% Tween20）；生物素（biotin，器件表面固定）
检测原理
DMFET利用垂直纳米间隙中的介电环境变化调制FET栅电容。器件先以11-氨基-1-十一烷硫醇在金表面形成SAM，再用磺基-NHS-LC-生物素共价固定生物素。当链霉亲和素从PBST溶液中与生物素结合时，约6–7 nm的蛋白质进入15 nm垂直间隙，使栅极介电常数由空气/低介电状态变为生物分子介电状态，栅电容增加。由于阈值电压VT与栅电容相关，VT发生负向偏移；仅固定生物素时偏移约-0.06 V，链霉亲和素结合后偏移约-0.73 V。通过半导体参数分析仪扫描栅压并测量源漏电流IDS和栅漏电流IGS，可无标记、全电学地检测结合事件。热去离子水可逆破坏结合后VT恢复，证明信号来自特异性生物素-链霉亲和素相互作用。
检测灵敏度
原文未报告LOD、线性范围、灵敏度斜率或R^2。实验使用300 nM streptavidin/PBST；200 nm间隙器件VT偏移：刻蚀后+0.69 V，固定生物素后-0.06 V，链霉亲和素结合后-0.73 V。
效应效果
器件在五种对照条件下特异性高：仅生物素、生物素+PBST、生物素-饱和链霉亲和素及无结合组均无显著阈值电压变化，只有生物素-链霉亲和素组产生约-0.73 V偏移。15个器件统计一致，栅漏电流由皮安级升至微安级。70°C热去离子水处理8 min可逆破坏结合，VT恢复，证明信号来自特异性结合。AFM显示结合表面Ra为0.622 nm，裸金为0.162 nm；ATR-FTIR确认生物分子结合。100、200和400 nm间隙器件趋势一致，200 nm足以检测。作者认为该CMOS兼容、无标记DMFET灵敏度优于此前FET纳米间隙生物传感器，可拓展至DNA、癌症标志物和抗体检测，并用于芯片实验室。
传感器的构成
- 基底/换能器：p型绝缘体上硅（SOI）晶圆，含埋氧层与减薄硅体，形成沟道及磷掺杂源漏电极，作为FET半导体通道与换能器
- 栅氧化层：10 nm二氧化硅（SiO2）热氧化层，作为栅介质并决定栅电容
- 栅电极/纳米间隙：15 nm铬（Cr）与100 nm金（Au）蒸发层，Cr湿法刻蚀形成15 nm垂直纳米间隙，Au暴露表面用于生物分子固定
- 自组装单分子层：11-氨基-1-十一烷硫醇盐酸盐（11-amino-1-undecanethiol hydrochloride）在金表面形成SAM，提供氨基锚定位点
- 识别元件：磺基-NHS-LC-生物素（sulpho-NHS-LC-biotin）共价固定于SAM氨基，作为生物素捕获元件
- 信号标记物：无外加标记物，链霉亲和素（streptavidin）结合后填充纳米间隙并改变栅极介电常数
中文摘要
本文报道一种基于场效应晶体管（FET）的介电调制生物传感器（DMFET），用于无标记检测生物分子特异性结合。器件采用互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容工艺，在p型绝缘体上硅（SOI）晶圆上构建硅沟道、磷掺杂源漏电极、10 nm二氧化硅栅氧化层以及铬/金栅电极，并通过湿法刻蚀铬层形成15 nm垂直纳米间隙。纳米间隙内壁经11-氨基-1-十一烷硫醇自组装单分子层和磺基-NHS-LC-生物素修饰，用于捕获链霉亲和素。当链霉亲和素与生物素结合并填充纳米间隙时，栅极介电常数和电容发生变化，导致阈值电压显著偏移，从而通过源漏电流-栅压曲线实现电学检测。作者通过热解离实验和缓冲液、饱和链霉亲和素等对照实验验证了信号来源于特异性结合，表明该器件具有较高特异性，并可拓展至DNA、癌症标志物和抗体等检测。
英文摘要
Interest in biosensors based on field-effect transistors (FETs), where an electrically operated gate controls the flow of charge through a semiconducting channel, is driven by the prospect of integrating biodetection capabilities into existing semiconductor technology. In a number of proposed FET biosensors, surface interactions with biomolecules in solution affect the operation of the gate or the channel. However, these devices often have limited sensitivity. We show here that a FET biosensor with a vertical gap is sensitive to the specific binding of streptavidin to biotin. The binding of the streptavidin changes the dielectric constant (and capacitance) of the gate, resulting in a large shift in the threshold voltage for operating the FET. The vertical gap is fabricated using simple thin-film deposition and wet-etching techniques. This may be an advantage over planar nanogap FETs, which require lithographic processing. We believe that the dielectric-modulated FET (DMFET) provides a useful approach towards biomolecular detection that could be extended to a number of other systems.