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方法文章

用于化学与生物传感应用的硅纳米线场效应晶体管的制备

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DOI：

10.3791/53660

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2016年4月21日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Molecular Medicine and Bioengineering, National Chiao Tung University, 2Department of Biological Science and Technology, National Chiao Tung University

本文内容

摘要

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。

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。

在基于硅纳米线场效应晶体管（SNWFET）的生物传感器中，固定在器件硅纳米线（SNW）表面的探针可识别特定的生物靶标。生物探针的固定通常涉及一系列步骤，每一步都必须正确执行，以确保生物传感器的正常功能。目前已开发出多种用于分析表面成分的技术，包括X射线光电子能谱（XPS）、椭圆偏振法、接触角测量、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）。其中，AFM和SEM可为纳米线器件上生物探针的固定提供直接证据，而XPS、椭圆偏振法和接触角测量则依赖于在其他类似材料上进行的平行实验。本报告中，我们通过两种独立方法对每一步修饰进行验证：使用XPS检测多晶硅晶圆表面特定原子的浓度，并直接测量器件电学性质的变化，以确认SNW表面电荷的改变。我们以多晶硅SNWFET（pSNWFET）用于DNA生物传感为例，说明该实验方案。将DNA探针固定在SNW表面包括三个步骤：在SNW本征羟基表面引入氨基修饰、醛基修饰，以及5'-氨基修饰的DNA探针固定。在每一步修饰过程中，由于固定在SNW表面的功能基团所带电荷会引起栅介质界面上的局部界面电势变化，从而改变沟道电流和电导率，器件可直接检测到表面电荷的变化1。围绕SNW表面的电荷能够电学调控pSNWFET器件的电学特性，因此SNW的表面性质在决定pSNWFET器件电学特征方面起着关键作用。在本报道的方法中，可通过电学测量直接判断并确认生物探针在SNW表面的固定情况，从而使器件具备用于生物传感应用的条件。

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方案

1. pSNWFET 器件的制备与保存

  1. 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。
    1. 制备栅介质层。
      1. 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）。
      2. 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。
    2. 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。
    3. 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。
      1. 在晶圆表面涂覆一层 830 nm 厚的光刻胶层。
      2. 将具有图案的光掩模插入 I 线步进式光刻机中。
      3. 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。
      4. 将晶圆在显影液中显影 5 分钟。
      5. 使用标准电感耦合等离子体25刻蚀机，采用 HBr 和 Cl 等离子体气体进行各向同性刻蚀 1 分钟。
    4. 通过 LPCVD25 沉积一层 100 nm 厚的非晶硅（α-Si）层。
    5. 在 N2 气氛中于 600 °C 下退火 24 小时，使 α-Si 转变为多晶结构。
    6. 在低能量条件下（5E15 cm−2）通过源/漏（S/D）掺杂注入磷离子25。
    7. 使用 I 线步进式光刻机进行标准光刻，去除多晶硅层并形成多晶硅纳米线（pSNW）25。
      注意：重复步骤 1.1.3，以在去除多晶硅的同时，在除 S/D 区域以外的位置注入掺杂剂，并自对准方式形成侧壁硅沟道。
    8. 通过 LPCVD 在 780 °C 下进行钝化处理（沉积 200 nm 厚的 TEOS 氧化层），持续 5 小时25。
    9. 使用 I 线步进式光刻机进行标准光刻，暴露纳米线沟道，并通过两步干/湿刻蚀工艺形成测试焊盘。
      1. 重复步骤 1.1.3。
      2. 进行湿法刻蚀（DHF：HF/H2O）1 分钟。
  2. 晶圆保存
    1. 将晶圆密封于真空存储袋中，并存放于电子干燥柜内（室温下相对湿度 <40%）。

2. 装置的预处理

  1. 设备清洗
    1. 用纯丙酮冲洗设备。
    2. 将设备置于纯丙酮中进行超声处理（46 kHz，80 W）10 分钟。
    3. 将设备置于纯乙醇（99.5%）中进行超声处理（46 kHz，80 W）5 分钟。
    4. 用氮气吹干设备表面。
  2. 氧气等离子体处理
    1. 在18 W功率下，用O2等离子体处理设备30秒。

3. 将DNA探针固定在装置表面

  1. 氨基修饰
    1. 将器件浸入 2.0% 的 (3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）/乙醇溶液中 30 分钟。
    2. 用乙醇清洗器件三次，然后在乙醇中进行超声处理（46 kHz，80 W）10 分钟。
    3. 将器件置于加热板上，在 120 °C 下加热 10 分钟，以在 SNWs 上形成氨基。
  2. 醛基修饰
    1. 将器件在室温下浸入 12.5% 戊二醛溶液中 1 小时，以在表面形成醛基。避免光照。
    2. 用 10 mM 磷酸钠缓冲液（Na-PB；pH 7.0）清洗器件三次，然后用氮气吹干器件表面。
  3. DNA 探针固定化
    1. 将器件浸入含有 1 µM DNA 探针的溶液中过夜。
    2. 将器件浸入含 4.0 mM NaBH3CN 的 10 mM Tris 缓冲液（pH 8.0）中 30 分钟，以封闭未反应的醛基。
    3. 用 Na-PB（pH 7.0）清洗器件三次，然后用氮气吹干器件表面。

4. pSNWFET 表面修饰的确认与分析

  1. 表面修饰各步骤后的pH响应特性
    1. 配制pH值为3.0–9.0的10 mM Na-PB缓冲液。
      1. 用去离子水配制10 mM十二水合三磷酸钠（Na3PO4）溶液（pH 11.60）。
      2. 用去离子水配制10 mM磷酸（H3PO4）溶液（pH 2.35）。
      3. 将pH电极插入500 ml的10 mM Na3PO4缓冲液中，边测量pH值边加入不同体积的10 mM H3PO4缓冲液，以获得pH值分别为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0和9.0的缓冲液。
    2. 交流电导测量
      注：测量电路包含一个小型交流信号发生器和一根作为液栅电极的金微丝。
      1. 在每个修饰步骤（步骤2.2、3.1、3.2和3.3）中确定用于测量的最优液栅电压（VLG）26。
        注：本节描述了在SNW上完成四步表面修饰后器件电学特性的测量方法。在步骤2.2中，对含有天然氧化层的未修饰pSNWFET进行处理；步骤3.1为使用APTES的氨基进行器件修饰；步骤3.2为使用戊二醛的不带电功能基团进行修饰；步骤3.3为DNA探针修饰。
        1. 使用注射泵（流速：5.0 ml/hr）将10 mM Na-PB（pH 7.0）溶液输送至SNW表面，使其直接接触SNW。
        2. 在将VLG从0.80 V扫描至1.30 V的同时，测量器件的实时电导。
          1. 在室温下使用锁相放大技术27进行电导测量。
          2. 使用低噪声电流前置放大器将交流电流信号转换为交流电压信号。
          3. 在VLG从0.80 V增至1.30 V（间隔=0.02 V）的过程中采集电导（G）数据。
        3. 确定器件的最优VLG（最灵敏的VLG）26。
          1. 根据步骤4.1.2.1.2.3的数据绘制G-VLG 曲线，并拟合得到曲线方程。
          2. 对方程求导，并计算每个VLG点处的导数值。
          3. 将步骤4.1.2.1.3.2所得数值除以G，根据所得比值的最大值确定最优VLG。
      2. 在表面修饰的每一步中测量pH响应曲线的实时电导。
        1. 在室温下使用锁相放大技术27进行电导测量。
        2. 使用低噪声电流前置放大器将交流电流信号转换为交流电压信号。
        3. 为每一步表面修饰设定最优VLG（步骤2.2：VLG = 1.02 V，步骤3.1：VLG = 0.98 V，步骤3.2：VLG = 0.98 V，步骤3.3：VLG = 1.00 V）。
        4. 将pH值从3.0至9.0的10 mM Na-PB溶液输送至SNW表面（流速：5.0 ml/hr），并在漏极电压为0.01 V的条件下采集电导数据。
  2. 在10 mM Na-PB（pH 7.0）溶液中，每步表面修饰后器件电学特性（ID-VBG曲线）的测量（步骤2.2、3.1、3.2和3.3）
    注：测量了SNW上完成四步表面修饰后器件的电学特性：在步骤2.2中，对含有天然氧化层的未修饰pSNWFET进行处理；步骤3.1为使用APTES的氨基进行器件修饰；步骤3.2为使用戊二醛的不带电功能基团进行修饰；步骤3.3为DNA探针修饰。
    1. 使用注射泵（流速：5.0 ml/hr）将10 mM Na-PB（pH 7.0）溶液输送至SNW表面（步骤2.2、3.1、3.2和3.3），使其直接接触SNW。
    2. 使用商用半导体分析仪及配套软件测量器件（步骤2.2、3.1、3.2和3.3）的ID。
      1. 选择"nMOSFET"模式。
      2. 选择"ID-VBG"模块。
        注：ID为漏源电流，VBG 为背栅电压。
      3. 在将栅极电势（VBG）从−1 V扫描至3.0 V（间隔=0.2 V）的同时，设置恒定的偏置电压（VD = 0.5 V）。
      4. 点击运行图标以获取ID-VBG 曲线。

5. DNA 生物传感

注意：在典型实验中，ID-VBG 曲线需测定三次，以确保未观察到进一步的变化。

  1. 基线测定
    1. 使用注射泵（流速：5.0 ml/hr）将 10 mM Na-PB 溶液（pH 7.0）输送至固定有 DNA 探针的 SNW 表面，持续 10 分钟，随后孵育 SNW 30 分钟。
    2. 测量器件的 ID（重复步骤 4.2.2）。
  2. DNA/DNA 杂交检测
    1. 使用注射泵（流速：5.0 ml/hr）将 10 pM 互补靶 DNA 加载到固定有 DNA 探针的 SNW 表面，持续 10 分钟，随后孵育 SNW 30 分钟。
    2. 使用注射泵（流速：5.0 ml/hr）将 10 mM Na-PB 溶液（pH 7.0）输送至 SNW 表面，持续 10 分钟，以洗去未结合的靶 DNA。
    3. 重复步骤 4.2.2，测量器件的 ID。
  3. DNA/DNA 杂交信号的再次确认
    1. 使用注射泵（流速：5.0 ml/hr）将 1 nM 回收 DNA 加载到固定有 DNA 探针的 SNW 表面，持续 10 分钟，随后孵育 SNW 30 分钟。
    2. 使用注射泵（流速：5.0 ml/hr）将 10 mM Na-PB 溶液（pH 7.0）输送至 SNW 表面，持续 10 分钟。
    3. 重复步骤 4.2.2，测量器件的 ID。
  4. 阴性对照
    1. 使用注射泵（流速：5.0 ml/hr）将 100 pM 非互补 DNA 加载到固定有 DNA 探针的 SNW 表面，持续 10 分钟，随后孵育 SNW 30 分钟。
    2. 使用注射泵（流速：5.0 ml/hr）将 10 mM Na-PB 溶液（pH 7.0）输送至 SNW 表面，持续 10 分钟。
    3. 重复步骤 4.2.2，测量器件的 ID。

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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

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
丙酮ECHOAH-3102
(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷 (APTES)，≥98%Sigma-AldrichA3648危险
无水乙醇，99.5%ECHO484000203108A-72EC
戊二醛溶液 (GA)，50%Sigma-AldrichG7651避光
氰基硼氢化钠，≥95.0% Fluka71435危险且易潮解
十二水合磷酸三钠，≥98%Sigma04277
磷酸，≥99.0%Fluka79622易潮解
光刻胶 (iP3650)Tokyo Ohka Kogyo Co., LTDTHMR-iP3650 HP
合成寡核苷酸，HPLC 纯化Protech Technology
三(羟甲基)氨基甲烷 (Tris)，≥99.8%USB75825
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 ExpressNational Instruments

参考文献

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