我们描述了使用多晶硅纳米线场效应晶体管进行生物传感的关键步骤，包括器件的制备、DNA分子探针在纳米线表面的固定与验证，以及DNA检测的条件。
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本文内容
摘要
摘要
利用生物标志物进行监测对于疾病的早期发现、快速干预以及降低发病率至关重要。本研究描述了多晶硅纳米线场效应晶体管（pSNWFETs）的制备方法，该器件可作为生物标志物检测的生物传感装置。文中提供了一套利用pSNWFETs进行化学和生物分子检测的实验方案。结果表明，pSNWFET是一种具有前景的换能器，适用于实时、无标记且超高灵敏度的生物传感应用。pSNWFET的源极/漏极沟道电导对硅纳米线（SNW）表面周围环境的变化具有敏感性。因此，通过在SNW表面固定生物探针，pSNWFET可用于检测从多巴胺等小分子到DNA和蛋白质等大分子在内的多种生物靶标。将生物探针固定在SNW表面是一个多步骤过程，对决定生物传感器的特异性至关重要，每一步操作都必须准确执行。我们通过直接观测pSNWFET在每一步修饰后电学特性的变化来验证表面修饰的效果。此外，还采用X射线光电子能谱分析每一步修饰后的表面化学组成。最后，我们在pSNWFET上实现了DNA检测。本方案提供了验证生物探针固定化及后续DNA生物传感应用的详细步骤。
引言
硅纳米线场效应晶体管（SNWFET）具有超高灵敏度，并能对环境电荷变化产生直接的电学响应。例如，在n型SNWFET中，当带负电（或带正电）的分子接近硅纳米线（SNW）时，硅纳米线中的载流子会被耗尽（或积累）。因此，SNWFET的电导率会降低（或升高）1。这意味着，任何靠近SNWFET器件硅纳米线表面的带电分子均可被检测。包括酶、蛋白质、核苷酸以及细胞表面多种分子在内的关键生物分子均带有电荷，因而可利用SNWFET进行监测。通过适当的修饰，特别是将生物分子探针固定在硅纳米线上，SNWFET可被开发为一种无标记生物传感器。
利用生物标志物进行监测对于疾病诊断至关重要。如表1所示，已有若干研究采用基于纳米线场效应晶体管（NWFET）的生物传感器，实现了对多种生物靶标的无标记、超高灵敏度和实时检测，包括单个病毒2、三磷酸腺苷及激酶结合3、神经信号4、金属离子5,6、细菌毒素7、多巴胺8、DNA9-11、RNA12,13、酶和癌症生物标志物14-19、人类激素20以及细胞因子21,22。这些研究表明，基于NWFET的生物传感器是一种强大的检测平台，可用于溶液中多种生物和化学物质的检测。
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方案
1. pSNWFET 器件的制备与保存
- 器件制备
注意：pSNWFET 采用侧墙间隔层技术制备，方法如先前报道23,24。- 制备栅介质层。
- 在硅衬底上通过湿法氧化工艺生长一层 100 nm 厚的热氧化层（SiO2）25（在 980 °C 下使用 O2 和 H2 作为工艺气体，持续 4 小时）。
- 通过低压化学气相沉积（LPCVD）25 在 980 °C 下沉积一层 50 nm 厚的氮化物层（Si3N4），持续 4 小时。
- 通过 LPCVD25 在 780 °C 下沉积一层 100 nm 厚的正硅酸乙酯（TEOS）层，持续 4 小时。
- 使用 I 线步进式光刻机进行标准光刻，以定义氧化物假结构。
- 在晶圆表面涂覆一层 830 nm 厚的光刻胶层。
- 将具有图案的光掩模插入 I 线步进式光刻机中。
- 使用 I 线步进式光刻机（波长：365 nm）在室温下以 1,980 J 的强度进行曝光处理。
- 将晶圆在显影液中显影 5 分钟。
- 制备栅介质层。
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结果
已有多种半导体纳米线场效应晶体管（SNWFET）被报道用作生物传感器的换能器（表1）。单晶SNWFET（sSNWFET）和多晶SNWFET（pSNWFET）在水溶液中作为换能器表现出相似的电学特性，且均已被报道具有多种生物传感应用。本研究中所用pSNWFET器件的一个优势在于其制备工艺简单且成本较低。图1a展示了pSNWFET器件制备过程中的关键步骤。获取了来自6英寸晶圆的单个芯片的光学图像（图1b），以及单个器件的扫描电子显微镜（SEM）图像（图1c），该器件包含两条宽度约为100 nm、长度为1.6 μm的半导体纳米线。
图2a展示了DNA探针在SNW表面固定化的流程。每个修饰步骤均通过X射线光电子能谱（XPS）进行确认（图2b）。在SNW表面修饰.......
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讨论
由于成本32,33、硅纳米线位置控制34,35以及生产规模较低36等因素，硅纳米线场效应晶体管（sSNWFETs）的自上而下和自下而上的制备方法在商业化方面被认为存在困难。相比之下，pSNWFETs的制备过程简单且成本较低37。通过采用自上而下的方法并结合侧墙隔离层形成技术（图1），可通过调节反应性等离子体刻蚀的时间来精确控制硅纳米线的尺寸。如图1a所示的pSNWFET纳米线制备流程可轻松适配现有的商用半导体制造设施。因此，pSNWFETs具有多项优势，包括成本效益高、结构工艺简单以及与CMOS工艺兼容，因而可广泛应用于生物传感领域。
与商业设施中工艺已明确定义的半导体器件制备不同，生物探针在器件上的固定化过程可能因具体应用而异。以图2a为例，展示了DNA探针在SNW表面的固定化过程。其他类型的生物探针，如抗体、适配体和酶，也可固定在SNW表面，用于检测不同的目标分子。以下步骤对于成功固定DNA.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究由中国台湾科技部资助（104-2514-S-009 -001、104-2627-M-009-001 和 102-2311-B-009-004-MY3）。我们感谢国家纳米器件实验室（NDL）在器件制备与分析过程中提供的宝贵协助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙酮 | ECHO | AH-3102 | |
| (3-氨基丙基)三乙氧基硅烷 (APTES)，≥98% | Sigma-Aldrich | A3648 | 危险 |
| 无水乙醇，99.5% | ECHO | 484000203108A-72EC | |
| 戊二醛溶液 (GA)，50% | Sigma-Aldrich | G7651 | 避光 |
| 氰基硼氢化钠，≥95.0% | Fluka | 71435 | 危险且易潮解 |
| 十二水合磷酸三钠，≥98% | Sigma | 04277 | |
| 磷酸，≥99.0% | Fluka | 79622 | 易潮解 |
| 光刻胶 (iP3650) | Tokyo Ohka Kogyo Co., LTD | THMR-iP3650 HP | |
| 合成寡核苷酸，HPLC 纯化 | Protech Technology | ||
| 三(羟甲基)氨基甲烷 (Tris)，≥99.8% | USB | 75825 | |
| Keithley 2636 系统源表 | Keithley | ||
| SR830 DSP 锁相放大器 | Stanford Research Systems | ||
| SR570 低噪声电流前置放大器 | Stanford Research Systems | ||
| Ni PXI Express | National Instruments |
参考文献
- Lin, C. H., et al. Surface composition and interactions of mobile charges with immobilized molecules on polycrystalline silicon nanowires. Sensor Actuat B-Chem 211. 211, 7-16 (2015).
- Patolsky, F., et al. Electrical detection....
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