场效应晶体管与微流控器件的集成应用分析

开发更灵敏、更易制造和更易使用的传感器是近年来众多研究的主题。基于场效应晶体管（FET）的电化学传感器在各种传感器件的发展中受到了特别的关注，因为其易于操作且对于物质的可检测浓度范围广，是一种有前途的替代方案。目前，不同的研究课题组对基于场效应晶体管的传感器的测试结果表明，其在检测极限、灵敏度和响应时间方面具有一定的优势。此外，利用场效应晶体管开发的传感器具有小型化和用于免标记检测的可能性。鉴于上述优点，场效应晶体管已经被应用于辐射剂量监测，葡萄糖、氧气、原生动物、酶、激素和神经递质等检测，以及癌症生物大分子标记物和心血管疾病生物标记物等领域。

在传感器研究中，集成器件是减少高背景干扰、克服流体处理复杂性和自动化分析的一个很有前途的替代方案。将场效应晶体管集成到微流控通道中的器件在医疗、环境和食品领域以及其它应用中变得越来越有前景。这种传感器的独特之处在于它能够减少检测中存在的背景干扰信号，这些信号会干扰目标分析物获得良好的检测限。这一优势和其它优势加强了选择性新型传感器和具有耦合配置的生物传感器的发展。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自巴西坎皮纳斯州立大学（State University of Campinas）以及巴西国家生物分析科学技术研究所（National Institute of Science and Technology of Bioanalytics）的研究人员在Micromachines期刊发表题为“The Integration of FieldEffect Transistors to Microfluidic Devices”的综述文章，回顾了集成传感器的主要研究进展，并重点介绍了场效应晶体管在化学和生化分析器件开发中的潜在应用。

用于同时检测和即时诊断的集成系统

使用同一集成系统进行同时检测的可能性引起了多个研究团队的兴趣。如图1所示，Sinha等人开发了一种在同一结构的微流控通道中集成4个场效应晶体管的芯片。该芯片具有便携性，能够实现自动化检测，并且检测过程仅需要很少的试剂和样品。通过对与固定在其金表面的适配体自组装单分子层的相互作用进行识别，该芯片可用于同时检测4种心血管疾病的生物标志物。

图1 集成传感器的设计

自从传感器的使用全球化以来，即时诊断（POC）器件已经变得越来越普遍，并且拥有广泛的用户基础。Song等人提出了一种具有新型传感器设计的即时诊断器件。该器件采用了纳米包裹技术与三维（3D）结构的新策略，将与氮化铟（InN）、氮化硅（SiNx）和氧化硅（SiOx）层共轭的卷曲纳米场效应晶体管集成在微流控芯片上，可用于检测与人类免疫缺陷病毒（HIV）相关的抗体，以便更快地获得临床结果。

图2 （a）沿两个微流控通道分布的场效应晶体管及（b）其结构；（c）传感器阵列的扫描电镜（SEM）图像；（d）氮化铟（InN）微管结构的扫描电镜图像的放大图

集成无源组件的传感器件

为了减少不容易去除的背景物质对传感器灵敏度的干扰，Kim等在研究中开发了一种基于扩展栅场效应晶体管（EG-FET）的生物传感器，该传感器件的扩展栅位于微流控通道的底部区域。这种结构突破了场效应晶体管的平面特性，可以被用于链霉亲和素-生物素复合物的检测。

另一个值得一提的关于集成系统的研究是由Liu等人开发并进行静态和动态分析。除了扩展栅场效应晶体管外，该传感器还集成了固态装配型谐振器（SMRs），并允许进行多路分析，以检测分子相互作用，获得相互作用中涉及的不同物理化学参数。如图3所示，场效应晶体管负责静态分析，而谐振器通过动态分析抗人前列腺特异性小鼠单克隆抗原（anti-PSA）与天然人前列腺抗原（PSA）及其各自抗体对之间的相互作用获得数据。

图3 用于抗人前列腺特异性小鼠单克隆抗原（anti-PSA）与天然人前列腺抗原（PSA）之间相互作用动态分析的传感器件

氯化物检测器件

Chou等的研究采用了一种新的扩展栅场效应晶体管器件结构，将扩展栅集成到微流控芯片中，实现氯化物检测。该微流控平台采用光刻和蚀刻技术制作，扩展栅场效应晶体管有两个端口，上端口由氯离子膜组成，下端口由二氧化钌（RuO₂）与氯离子结合形成，可以在浓度为1 M ~ 10⁻⁵ M的氯化钠（NaCl）溶液中进行静态和动态检测。结果表明，该传感器对浓度在10⁻¹ M ~ 10⁻⁴ M范围内的氯化钠溶液的检测具有较好的灵敏度和线性度。并且，在动态条件下，该传感器的灵敏度和线性度优于静态条件。

综上所述，具有工程接口的器件将成为下一代传感器的关键。这些接口可以包含不同类型，例如电气、光学、机电、电阻和电容等，以用于开发同步和自动化检测系统。在需要电气接口的传感器中，扩展栅场效应晶体管有望成为构建分子识别平台的良好选择，因为当其集成到微流控芯片中时，除了在静态和动态分析中呈现显著的结果外，还可以允许在低样品水平下进行检测，并减少背景干扰信号。此外，使用扩展栅场效应晶体管的研究也显示出较低的检测限，这可能与这种晶体管的结构具有更好的封装和栅极终端的灵活性，以及可以集成到更复杂的微流控平台有关。总的来说，随着这些传感器的使用和新型传感器的开发，临床诊断可以越来越多地得到改善，从而为相关研究开辟一系列的可能性。

编辑：黄飞