组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
前列腺特异性抗原（PSA）、癌胚抗原（CEA）、黏蛋白-1（MUC1）、microRNA（miRNA, let-7b）、雌激素受体β（ERβ）–DNA相互作用、心肌肌钙蛋白T（cTnT）、肌酸激酶MM（CK-MM）、肌酸激酶MB（CK-MB）、登革病毒2型（DEN-2）RT-PCR产物、甲型流感病毒（H1N1/FluA）扩增产物、流感A病毒（Influenza A virus）；样品基质包括血清、全血/血浆、细胞总RNA、乳腺癌细胞核提取物、RT-PCR产物及病毒稀释液。
检测原理
SiNW 生物传感器以掺杂硅纳米线作为 FET 沟道，源漏电极施加偏置。表面经 SiO2 氧化和硅烷化学修饰后，固定抗体、PNA、DNA 探针或生物素等识别元件。当目标蛋白、核酸或病毒与识别元件结合时，带负电的生物分子在 SiNW 表面引入额外电荷，改变界面电荷密度并形成耗尽/积累层。对 n 型 SiNW，负电荷排斥电子，使电导下降、电阻上升；对 p 型则相反。信号大小随结合分子数量增加而增大。低离子强度缓冲液可增大 Debye 长度、减少电荷屏蔽；小直径和轻掺杂提高灵敏度；RT-PCR/PCR 扩增可作为核酸前级放大；多路复用阵列与参考纳米线差分测量可抑制背景。最终通过探针台、参数分析仪或锁相放大器读出电流/电阻/电导变化。
检测灵敏度
LOD: Streptavidin 10 pM；PSA: 2 fM, CEA: 0.55 fM, Mucin-1: 0.49 fM；DNA 10 fM；Influenza A virus Single virus；PSA: 2.5 ng mL−1, CA 15.3: 30 U mL−1；DNA 10 pM；DNA 25 pM；PSA 30 aM；TnI 7 nM；cTnT 1 fg mL−1；RT-PCR product of DEN-2 10 fM；microRNA 1 fM；ERβ 10 fM；cTnT, CK-MM, CK-MB 1 pg mL−1；cTnT in undiluted serum down to 30 fg mL−1；H1N1 and FluA 20–30 fg μL−1；Influenza A 80 attomolar or 50 viruses mL−1
效应效果
综述报道的 SiNW 传感器选择性良好：PSA 仅使 anti-PSA 纳米线响应，乙醇胺封闭位点无响应；miRNA 可区分完全互补、单碱基错配和非互补序列；ERβ 对野生型 ERE 响应明显，突变/乱序 ERE 响应弱，siRNA 敲低 MCF-7 后无显著信号；cTnT、CK-MM、CK-MB 血清多路复用检测中仅对应抗体位点响应，BSA 位点无响应，未加标全血无显著变化。灵敏度方面，cTnT 去盐血清检测至 30 fg mL−1，比 ELISA 低 3 个数量级；集成芯片指尖血检测三种心脏标志物至 1 pg mL−1，比 ELISA 低 1 个数量级、比商品试剂盒低 2 个数量级，45 min 完成；ERβ LOD 10 fM，比 SPR 低 3 个数量级；miRNA 1 fM，比 DNA 检测高 1 个数量级；H1N1/FluA 20–30 fg μL−1，单病毒 50 viruses mL−1。作者认为其适合无标记、实时、多路复用 POC 诊断。
传感器的构成
- 基底/换能器：硅纳米线（SiNW）n型或p型半导体沟道，连接源/漏电极，负责将表面电荷变化转换为电导/电阻变化
- 电极/互连：源极、漏极及栅极金属电极，铝（Al）键合焊盘，提供偏置与信号连接
- 表面氧化层：SiNW 表面 SiO2 氧化层，提供硅烷偶联反应位点
- 化学修饰层：APTES、MPTMS、APTMS 或磷酸酯硅烷，形成氨基/巯基/醛基/羟基，用于共价固定探针
- 识别元件：抗体（anti-PSA、anti-CEA、anti-MUC1、anti-cTnT、mAb CK-MM、mAb CK-MB）、PNA/DNA 探针、生物素/链霉亲和素或 ERE DNA，特异性捕获目标
- 封闭层：BSA 或乙醇胺（ethanolamine）封闭非结合位点，降低非特异吸附背景
- 流体/样品接触：PDMS 微流控通道或亚克力（acrylic）宏观腔，将样品输送至 SiNW 表面
- 信号读出：探针台（probe station）、HP 参数分析仪或锁相放大器，测量电流/电阻/电导变化
中文摘要
过去十年，硅纳米线（SiNW）生物传感器作为高灵敏、无标记、电学检测工具，被广泛用于生物分子识别与疾病诊断。本文系统综述了 SiNW 生物传感器的工作原理、制备工艺、表面功能化、流体交换、Debye 长度效应及电学读出方法。SiNW 通常构成场效应晶体管（FET）沟道，通过抗体、肽核酸（PNA）、DNA 探针或生物素–链霉亲和素等识别元件捕获目标分子，结合事件改变纳米线表面电荷密度，进而调制源漏电导或电阻。文章总结了其在癌症、心血管疾病和感染性疾病标志物检测中的应用，包括前列腺特异性抗原（PSA）、癌胚抗原（CEA）、黏蛋白-1（MUC1）、microRNA（miRNA）、雌激素受体β（ERβ）–DNA 相互作用、心肌肌钙蛋白T（cTnT）、肌酸激酶MM/MB（CK-MM/CK-MB）、登革病毒2型（DEN-2）RT-PCR 产物以及甲型流感病毒（H1N1/FluA）扩增产物等。SiNW 生物传感器具有实时、无标记、多路复用、单分子/单病毒检测潜力，并可与微流控和 CMOS 电路集成，有望成为疾病即时检测（POC）平台。
英文摘要
Over the past decade, silicon nanowire (SiNW) biosensors have been studied for the detection of biological molecules as highly sensitive, label-free, and electrical tools. Herein we present a comprehensive review about the fabrication of SiNW biosensors and their applications in disease diagnostics. We discuss the detection of important biomarkers related to diseases including cancer, cardiovascular diseases, and infectious diseases. SiNW biosensors hold great promise to realize point-of-care (POC) devices for disease diagnostics with potential for miniaturization and integration.