硅纳米线场效应晶体管的研制化学生物传感与应用

该协议的总体目标是验证多晶硅纳米线场效应晶体管上的生物探针固定和随后的 DNA 生物传感。这种方法可以帮助回答生物电传感领域的重要问题，例如生物探针固定和核酸检测。我们的生物传感设备是一种很有前途的晶体管，适用于实时、省力和高灵敏度的生物传感应用。

这些生物传感器的意义延伸到新发传染病的临床诊断，因为它可以容易、灵敏和准确地检测特定的生物靶标。虽然这种方法可以提供对核酸检测的见解，但它也可以应用于其他分子的检测，例如细胞因子、激素、蛋白质和病毒。一般来说，刚接触这种方法的人会很挣扎，因为它需要生物学和电气工程领域之间的跨学科合作。

文本协议涵盖了多晶硅纳米线场效应晶体管的制备。该设备由 6 英寸晶圆制成。该器件上的硅纳米线宽约 100 纳米，长约 1.6 微米。

要对设备进行预处理，请先将其从电子干燥柜中取出，然后打开装有设备的密封真空袋。在装有纯丙酮的 Sonicator 中清洁生物传感器 10 分钟。然后，将浴槽换成纯乙醇，再重复超声处理 5 分钟。

第二次沐浴后，使用氮气流干燥设备。接下来，用 18 瓦的等离子体处理设备 30 秒。现在进行交流电导测量并测量器件上的漏电流电特性，如下一节所述。

然后，继续将 DNA 固定在设备表面，同时在每次修饰后进行额外的测量，包括交流电导和漏电流。首先，准备 pH 曲线分析。在去离子水中制成 10 毫摩尔磷酸钠十二水合物三元，其 pH 值为 11.6。

然后，在去离子水中制备 10 毫摩尔的磷酸溶液，其 pH 值为 2.35。现在，通过混合两种储备溶液，制备 7 种 pH 值从 3 到 9 的 10 毫摩尔缓冲溶液。准备好测试溶液和微流体通道后，使用锁定技术测量实时电导。

在每个源极和漏极垫上放置两个针形探针。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。然后设置最佳液体栅极电压并继续输送每种缓冲溶液，同时在 10 毫伏的漏极电压下测量电导。

接下来，使用中性线缓冲器测量漏极电流。以每小时 5 mL 的速度将 pH 7 缓冲液从注射泵流到设备上。然后，使用商用半导体分析软件，测量 N MOSFET 模式下的漏极电流。

将偏置电压设置为 0.5 伏，并以 0.2 伏的间隔将栅极电位从负 1 伏扫描到 3 伏。现在运行测试并获取数据。首先将生物传感器浸入 2% APTES 的乙醇溶液中 30 分钟，以共价连接纳米线表面。

然后用乙醇清洗生物传感器 3 次，持续 30 秒，然后在装有乙醇的 Sonicator 中清洗。现在，要在硅纳米线上产生胺基，请将生物传感器放在 120 摄氏度的表面上 10 分钟。在加热步骤之后，按照上一节所述对设备进行测量。

接下来，为了在硅纳米线上产生醛基，将设备在室温下浸入 12.5% 戊二醛中的 10 毫摩尔磷酸钠 pH 7 中 1 小时。在此步骤中限制任何光照。戊二醛处理后，用 10 毫摩尔磷酸钠缓冲液洗涤装置 3 次，每次洗涤 30 秒。

然后在纯氮气下吹干生物传感器并进行测量以确认表面改性。下一步是将生物传感器在一微摩尔探针溶液中孵育过夜，以便应用 DNA 探针。第二天，将装置浸入 10 毫摩尔 Tris 和 4 毫摩尔氰基氢化钠中半小时，封闭未反应的醛基。

然后用 pH 值为 7 的 10 毫摩尔磷酸钠缓冲液清洗装置 3 次，然后像以前一样在氮气下吹干装置。然后进行最后一组测量以确认表面改性，然后再继续将其用作生物传感器。首先进行基线测量。

将 pH 中性磷酸钠缓冲液流入装置中 10 分钟。在此过程中，溶液流速始终为每小时 5 毫升。然后等待 30 分钟，再次将 pH 中性缓冲液流过生物传感器 10 分钟，并测量设备的电流。

设备上流动 10 分钟，将 10 皮摩尔的 DNA 与探针互补，加载到硅纳米线表面。然后将生物传感器孵育 30 分钟。作为阴性对照，将 100 皮摩尔的非互补 DNA 应用于装置中。

孵育后，将 pH 中性缓冲液流过生物传感器 10 分钟，以洗去未结合的靶标 DNA。按照此步骤，像以前一样测量设备的电流。接下来，将 1 纳摩尔的回收 DNA 加载到 DNA 探针固定的硅纳米线表面 10 分钟。

然后像以前一样，将生物传感器孵育 30 分钟。最后，将 pH 中性缓冲液再流过设备 10 分钟，然后再次进行电流测量。将 DNA 探针固定在氧化硅表面，并使用 X 射线光电子能谱确认每个修饰步骤。

对于在 SNW 表面含有天然氧化物层的未修饰的 pSNWFET，羟基被电离以形成 pH 值增加的带电基团。电导率在不同 pH 值下可能有所不同。不同修改后器件电性能的变化证实了导线表面的变化。

在此类实验中，以未改性器件的电流电压曲线为基线。器件浸入 APTES 后，由于导线表面带正电荷，器件的电流电压曲线向左移动。将戊二醛偶联到 APTES 修饰装置后，由于中性电荷 MI 键的形成，电流电压曲线向右移动。

最后，引入一个 5 个引物胺修饰的 DNA 探针与 APTES 戊二醛修饰的装置结合。DNA 的主链导致电流电压曲线向最右侧移动。看完这个视频，你应该对如何确认生物探针固定化和 DNA 传感在多晶硅纳米线场效应晶体管上的应用有了很好的了解。

一旦掌握，这种核酸检测制备技术可以在一小时内完成，如果作得当，可以提前进行。最终的生物传感只需不到 10 分钟。在尝试此过程时，请务必记住在生物探针修饰的每个步骤中分析设备的电特性。

这项技术为基于半导体的传感器领域的研究人员铺平了道路，使其能够更广泛地应用于生物传感。遵循这些程序后，可以执行其他方法，例如固定癌症生物标志物探针，以回答临床癌症诊断等领域的其他问题。