组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
单链DNA（ssDNA，互补链杂交）、蛋白G（Protein G）；样品基质为4×SSC缓冲液、1×PBS缓冲液及KCl缓冲液。
检测原理
在Au传感电极与外部Au参考电极之间施加10–20 mV正弦激励，像素TIA测量流过电极的电流，I/Q相干检测提取幅值和相位并计算导纳Y=I/V。巯基ssDNA或11-MUA/Protein G固定于Au表面，目标分子结合后改变界面电荷分布、离子迁移率和介电环境，使双电层电容Cdl及扩散层阻抗（Rd、Cd）发生变化。DNA杂交使Cdl由525 pF降至419 pF（约20%）；蛋白结合引起Cdl、Rd、Cd变化。信号随捕获量实时变化，无需标记或酶放大。
检测灵敏度
LOD（导纳）: 10 nS；HDL: 1 mS；动态范围: 97 dB；频率范围: 10 Hz–50 MHz。DNA LOD: 原文片段“around molecules (6.25 molecules )”，具体指数与单位在抽取文本中缺失；未报告线性范围、灵敏度斜率、R^2。
效应效果
芯片为10×10像素，可多路复用检测最多100种分析物。实测导纳范围10 nS–1 mS，动态范围约97 dB，频率10 Hz–50 MHz；像素增益变化约±0.6 dB，输入参考噪声330 pA rms（10 Hz带宽）和577 pA rms（1 kHz带宽），1 dB压缩点约40 μA。KCl实时实验显示Rs随离子强度增加下降、Cdl上升；DNA杂交Cdl由525 pF降至419 pF，蛋白结合改变Cdl、Rd、Cd。作者认为该平台适合无标记、实时、低成本生物检测。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：标准0.35 μm CMOS顶层金属Al，开孔形成约40 μm×40 μm、间距50 μm的电极，作为电化学换能器。
- 金属修饰层：无电镍浸金（ENIG）在Al表面形成Ni/Au层（Au约200 nm），提供惰性、生物相容的Au表面。
- 识别元件（DNA）：巯基修饰ssDNA探针（5’-TGATAGCCCTGTACAATGCTGCTAAAAAAA-Thiol-3’）通过Au-S键直接固定，捕获互补ssDNA。
- 识别元件（蛋白）：11-巯基十二烷酸（11-MUA）自组装单层作为连接分子，固定Protein G，用于蛋白/抗体结合检测。
- 信号标记物：无标记（label-free），不使用荧光、酶或纳米颗粒标记。
- 电解液/参考电极：外部1 mm直径Au线参考电极浸入高导电缓冲液（4×SSC、1×PBS、KCl），提供正弦激励并构成界面。
- 读出电路：每像素低噪声跨阻放大器（TIA）、I/Q混频器、低通滤波及10×10行列解码器，相干检测导纳。
中文摘要
本文报道了一种基于标准CMOS工艺的全集成电化学阻抗谱（EIS）生物传感器阵列。该芯片利用EIS实现无标记、实时检测DNA和蛋白等生物分析物。每个像素包含生物相容性金电极换能器和嵌入式传感电路，采用相干检测器测量对应电极-电解液界面的阻抗。芯片可在10 Hz至50 MHz频率范围内并行测量低至10 nS的导纳，检测动态范围超过90 dB。系统以顶层金属开孔形成电极，经无电镍浸金（ENIG）形成Au表面，并通过巯基化学固定ssDNA探针或11-MUA/Protein G识别层。外部Au参考电极提供正弦激励，像素内跨阻放大器与I/Q混频器提取电流幅值和相位，计算导纳。结果表明该平台可用于DNA杂交和蛋白结合检测，具有集成化、低成本和潜在多路复用优势。
英文摘要
In this paper, we present a fully integrated biosensor 10 × 10 array in a standard complementary metal-oxide semiconducor process, which takes advantage of electrochemical impedance spectroscopy (EIS). We also show that this system is able to detect various biological analytes, such as DNA and proteins, in real time and without the need for molecular labels. In each pixel of this array, we implement a biocompatible Au electrode transducer and embedded sensor circuitry which takes advantage of the coherent detector to measure the impedance of the associated electrode-electrolyte interface. This chip is capable of concurrently measuring admittance values as small as 10(-8) Ω(-1) within the array with the detection dynamic range of more than 90 dB in the frequency range of 10 Hz-50 MHz.