CMOS兼容的一维硅纳米线场效应管生物传感器的性能研究

基于一维纳米线场效应管的生物传感器具有重要的研究价值和应用前景，但目前在传感器的器件设计以及测量体系对其关键性能的影响规律方面尚缺乏深入的理解。本项目提出利用CMOS工艺高度兼容的"自上而下"微纳米加工方法，结合湿法腐蚀，制备基于一维硅纳米线的场效应管器件。首先以pH传感为研究手段，重点研究器件结构、电极接触类型等要素对传感器灵敏度的调控规律，并结合理论分析建立物理模型。进一步地，利用已获取的实验结果与模型，以面向心肌梗死的早期、灵敏、快速诊断为应用需求构建心肌梗死生物传感器。研究蛋白质修饰、测量体系的选择对生物传感器综合性能的影响，同时探索其在临床医学检测方面的潜在应用。本项目将前沿的微纳米加工技术与生物技术相结合，从器件设计与传感测量两个环节出发，揭示生物传感器关键性能的受控因素与规律，对探索新型、高性能生物传感器的设计具有重要的理论与实验指导意义。

经过本项目三年的实施，我们着重研究了硅纳米线场效应管生物传感器的器件设计与传感策略，开发了具有高灵敏度的生物传感器。首先采用CMOS兼容“自上而下”加工工艺，以SOI硅片为衬底，加工出尺寸可控的Si纳米线场效应管，进一步通过共价结合方法选择性地在Si纳米线表面修饰急性心肌梗死标志物－心肌肌钙蛋白I（cTnI）的单克隆抗体，制备了面向急性心肌梗死诊断的生物传感器。在生物传感器研发前期过程中探索了半导体材料的表面修饰方法。测试结果表明，生物传感器对cTnI的响应时间小于2分钟，动态线性范围92 pg/mL～46 ng/mL，表现出良好的应用前景。进一步通过分析器件电流响应中的低频噪声谱，发现当器件工作于反型区时，液相环境下噪声谱幅度的倒数受栅极电压的调控更加明显。基于此，我们以血清体系为研究对象，对比了传统电流响应与噪声谱分析方法，在电流响应无法区分待测cTnI蛋白的情况下，噪声谱分析能够实现2个数量级的信号差别，为实现新型、高灵敏度生物传感器的设计提供了思路。依托本项目，我们已发表6篇学术论文，负责人赴西班牙参加生物传感领域顶尖国际学术会议并展示了研究成果。