高灵敏度“生物分子膜”门电极AlGaN/GaN HEMT生物传感器的研制及其传感机理研究

本项目以常规生化分析仪器的微型化为研究背景，以前列腺癌特异抗原（PSA）的快速、稳定性探测为研究目标，针对当前AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）生物传感器因金属或氧化物门电极的存在而提高了传感器制作成本以及分子识别元件固定需在门电极上进行等问题，提出开展"生物分子膜"门电极的AlGaN/GaN HEMT生物传感器技术的研究，在对"生物分子膜"门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管传感器液相检测传感机理的研究以及分析影响传感灵敏度的因素基础上，建立传感器的仿真设计方法。同时通过对GaN表面修饰机理及分子识别元件固定，PSA双抗体夹心原理检测方法及AlGaN/GaN HEMT传感器制作工艺等问题的研究，完成可实现批量制作的高灵敏度生物传感器的研制，通过上述问题的研究，可使传感器结构单元简化，制作成本降低，为实现快速、准确的低成本前列腺癌特异性抗原诊断奠定基础。

与传统的硅基生物器件相比较, GaN 基III-V 半导体材料的化学性能更稳定, 同时具备无毒性、可降低吸附细胞退化等优点，因此更适合在生物传感领域中的应用。国内外对AlGaN/GaN HEMT生物传感器的研究尚处于起步阶段，特别是国内，到目前为止仅有中科院半导体所的一个团队及本人所在的团队在开展AlGaN/GaN HEMT生物传感器的研究工作。本项目以AlGaN/GaN HEMT生物传感应用为背景，针对国内外AlGaN/GaN HEMT生物传感器制作成本较高以及检测限差的问题，采用在AlGaN/GaN HEMT 传感区域表面直接修饰3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）分子膜，来降低待测分子与二维电子气之间的距离，提高器件对待测分子敏感度的方法。采用数值分析的方法分析了器件传感区域长度与宽度比值及待测物调控二维电子气(2DEG) 距离与感测信号之间的关系, 分析表明AlGaN/GaN HEMT 生物传感器对外部环境响应的灵敏度与器件感测区域的宽度与长度比值W/L成线性关系, 在W/L的数值一定的情况下,器件结构尺寸的数量级对器件的灵敏度没有影响；研究了APTES分子膜在缓冲液中的稳定性问题，为APTES在传感器上的应用奠定实验基础；同时研究了传感器对极性不同的待检测物所呈现出的不同响应等问题。在上述研究的基础上，制备了毫米量级的AlGaN/GaN HEMT 生物传感器, 以不同浓度的前列腺特异性抗原(PSA) 以及汞离子（Hg2+）为待测物, 对制作的AlGaN/GaN HEMT 生物传感器进行了初步测量, 测试结果表明, 在50 mV的电压下, 毫米量级的AlGaN/GaN HEMT 生物传感器的对PSA的探测极限低于0.1 pg/ml，相关结果比目前报道的AlGaN/GaN HEMT 生物传感器测试PSA 的探测极限提高了2 个数量级，对Hg2+的探测极限低于10-14M，相关结果比目前报道的AlGaN/GaN HEMT 生物传感器测试Hg2+ 的探测极限提高了6个数量级。研究表明毫米量级的AlGaN/GaN HEMT 生物传感器具有灵敏度高, 易于集成等优点, 具备良好的应用前景。该研究对理解AlGaN/GaN HEMT生物传感器的应用具有重要意义和价值。