2015年--外文翻譯--帶有新型液態(tài)門控高度敏感的硅納米絲生物傳感器對于特定的單鏈dna分子的檢測（譯文）

1、<p><b>　　中文6900字</b></p><p>　　出處：Adam T, Hashim U. Highly sensitive silicon nanowire biosensor with novel liquid gate control for detection of specific single-stranded DNA molecules[J]. Bios

2、ensors and Bioelectronics, 2015, 67: 656-661.</p><p>　　帶有新型液態(tài)門控高度敏感的硅納米絲生物傳感器對于特定的單鏈DNA分子的檢測</p><p>　　TijjaniAdam , U.Hashim</p><p>　　納米電子工程學院，馬來西亞玻璃大學，01000加央，玻璃市，馬來西亞</p>&

3、lt;p>　　摘要：這項研究證明了液態(tài)門控硅納米線生物傳感器在檢查特定單鏈DNA分子方面的發(fā)展。此傳感器借助傳統(tǒng)光刻法與電感耦合等離子體干蝕刻過程制作而成。在把DNA應用到這項設備之前，通過連續(xù)稀釋使ph2降到ph14，證明了此傳感器對于ph值的線性反應。之后，傳感器表面被硅烷化并被（3-氨丙基）三乙氧基硅烷直接氨化，從而形成一個分子綁定的生化功能體。所形成的硅-氧-硅組件由于帶有受體單鏈DNA分子從而具有功能。受體單鏈DNA分子

4、與目標單鏈DNA分子互相作用會在硅納米線上創(chuàng)建一段區(qū)域并增加電流。傳感器顯示了在線性范圍的目標單鏈DNA分子濃度100pm到25nm之間，它對目標單鏈DNA分子的選擇性。憑借其優(yōu)良的檢測能力，這種傳感器平臺保障了特定的生物標記和其它目標蛋白質的檢測工作。</p><p>　　關鍵詞：納米絲生物傳感器，氨丙基三乙氧基硅烷，目標單鏈DNA，DNA，光刻法，液體門控</p><p><b&

5、gt;　　介紹</b></p><p>　　在互補金屬氧化物半導體（CMOSs）中，場效應管響應由氧化層，即柵極決定。相似地，納米絲場效應管生物傳感器通常配備一個有相同目的的由受體分子組成的功能性生物接觸面。此生物接觸面在檢測目的生物分子時起到關鍵作用。工作原理如下：當目的分子與受體靠近接觸時，這兩種分子間產生不可忽視的局部充電。這將調解功能層表面的充電體質，影響納米絲上的靜電荷分布。這將影響納米絲的

6、電導，因此，當在合適的兩個末段施加電壓時，可以檢測到電流的波動。電流反應的量值取決于液體中目標分子的濃度。這種工作原理稱為液體門控。</p><p>　　詳細地說，一個傳統(tǒng)的場效應管有一個源極和一個漏極。上面說到的固態(tài)門通過產生電場控制著源極和漏極間的電流。半導體硅納米絲生物傳感器的工作原理和前者幾乎一致，只是兩種傳遞的材料間的是一條納米絲而非固態(tài)門。納米絲中高濃度的原子分布在其表面（也就是說，它有高表面積體積比

7、），所以環(huán)境因素嚴重影響從源極流向漏極的電流。尤其，一維的硅納米絲的電子特性對周圍化學物質敏感。例如，如果吸收到的陽離子數(shù)量超過陰離子，表面將得到正電荷充電。這將造成表面上一團相反電荷的離子從表面移向溶液。材料上的局部充電越高，表面將吸收到更多離子，也就會聚集更大的一團相反離子。而更高濃度的電解質溶液也將增多相反離子。</p><p>　　在現(xiàn)在工作中，我們匯報了帶有液態(tài)門控的硅納米絲傳感器在液態(tài)環(huán)境中的適用性。

8、為了使這項設備與DNA捕獲探針搭配使用，感受部分被硅烷化并被（3-氨丙基）三乙氧基硅烷直接氨化，產生一個所謂的“分子小地毯”綁扎化學物。特別的，由硅烷化形成的硅-氧-硅-組件借助氨丙基三乙氧基硅烷被生物功能化。受體單鏈DNA和目標單鏈DNA互相作用在硅納米絲上創(chuàng)造一段區(qū)域，增加測到的電流值。通過其卓越的檢測能力，這種傳感器平臺對于特定生物標記和其它目標蛋白的檢測有著很大前景。</p><p><b>　

9、　2.材料和方法</b></p><p><b>　　2.1材料</b></p><p>　　一個五英尺p型絕緣硅晶體片和一個雙觸頭的鉻掩模（金屬絲和襯墊）被用于設備制造。用到的化學試劑有（3-氨丙基）三乙氧基硅烷，戊二醛，乙醇胺和緩沖磷酸鹽（PH 7.4）。這些試劑來自于西格瑪奧德里奇（馬來西亞）私人有限公司且使用時沒有經(jīng)過進一步純化。這其中用到的最重要

10、的試劑就是（3-氨丙基）三乙氧基硅烷。它的化學式是,分子質量是221.37克/摩爾。（3-氨丙基）三乙氧基硅烷在室溫25攝氏度下是密度為0.946克/毫升的澄清溶液。在使用前密封并儲存在干燥通風良好的環(huán)境。吉時利半導體參數(shù)分析儀被用于分析，緩沖氧化蝕刻劑被用于標準清洗流程中移除有機和無機污垢。</p><p>　　2.2硅納米絲的制造</p><p>　　各覆蓋有400納米厚光致抗蝕劑層的

11、一個五英尺p型絕緣硅晶體片和一個250納米絕緣膜。經(jīng)過暴露和演化，形成一個3-5微米寬的溝道。氧氣電漿蝕刻將溝道規(guī)模減少至200納米，反應離子蝕刻機和一個高溫氧化熔爐配合最終制造納米絲。最后，氧氣或是水的熱氧化作用修剪納米絲。這之后，鈦和金借助熱蒸鍍機鍍在納米絲的兩端。這些步驟闡述在圖1。</p><p>　　圖一. 以硅納米絲為基礎的場效應管設備的制作的主要步驟。（a）絕緣硅晶體片 （b）覆蓋阻抗 （c）光刻法

12、形成硅溝道 （d）阻抗的發(fā)展和清洗 （e）金屬的連接和烘干</p><p>　　上述的五步主要的光刻過程的細節(jié)如下。首先，晶片是潔凈的且外包一層絕緣材料。在此項研究中，我們利用二氧化硅作為絕緣體，因為它便宜，被廣泛使用而且對水分和不穩(wěn)定離子來說，是一個很好的屏障保護膜。其次，低壓化學蒸汽沉淀把氫化硅轉化為硅作為納米絲的基本原料。然后，一個薄層（400納米）正性光致抗蝕劑覆蓋在納米絲上，晶片上不要的硅利用鉻掩模被蝕

13、刻掉以形成一微米規(guī)格的硅微傳線。在微傳線形成后，電漿修剪至納米級。在這步里，微米級的絲的表面被氧化，消耗了硅，而氧化層被下面步驟中的緩沖氧氣蝕刻機蝕刻掉。消耗的硅的量取決于氧化的滲透量，而后者受限于硅-氧界面的氧氣活動。</p><p>　　2.3 門限的表面修整</p><p>　　特定捕獲探針寡核苷酸的離子支持連接物為識別特殊目標DNA提供了一套有力的工具。為了確保目標被準確地，精確地

14、，可靠地被識別，最佳的連接物必須要仔細挑選。一個單鏈DNA分子探針可以采取多種方法利用共價鍵連接到硅納米絲。羧基和氨基基團是連接配合鍵到固體表面的最普遍的反應基團。氨基基團相比于羧基基團更牢固，而且它們的化學性質也已經(jīng)被這個領域的研究者廣泛地探索出來了。因此，一個以氨基為基礎的方法被用于此項研究。</p><p>　　首先，二氧化硅放置在納米絲的表面。二氧化硅是場效應管中最為重要的組分之一，它的卓越的特性使得它在

15、生物感應的各個方面都具有極高的利用價值。</p><p>　　其次，在1000攝氏度的高溫下，將水流過放置的二氧化硅表面以形成正硅酸.覆蓋在硅納米絲表面的大量使得硅納米絲表面吸水，所以它能夠快速吸收生物分子樣品中的離子。</p><p>　　離子從氧化物材料里移動出來到達硅納米絲里，這造成了材料里的電子在電壓差的作用下移動。當電場場強憑借離子濃度而增大時，離子最終被消耗。通過這個過程，富含

16、硅的氧化物充當了離子獲得者或是屏障。所以，以氨基為末端的表面單層可以通過增加（3-氨丙基）三乙氧基硅烷而獲得外露氨基基團。這些可以和結合試劑如戊二醛構成生物鏈接，形成一個對其它氨基基團有反應的接觸面。因此，在表面形成基團后，3-氨丙基試劑可以覆蓋在其上以便將戊二醛接到這個接觸面（3-氨丙基）三乙氧基硅烷常借助于戊二醛連接物，用于硅襯底上的硅烷層的生物分子固定。</p><p>　　下一步是連接DNA探針。在這個例

17、子里，我們使用一個與目標核苷酸序列互補的配種探針，即一個可以檢測目標核苷酸序列的單鏈DNA序列。注意，然而，部分的不匹配和完全的匹配都可以被探測出。由于探針和目標之間的互補性，探針需要和一段本身序列允許探針-目標配對的單鏈核苷酸序列雜交。這個過程如下：標記DNA首先變性成單鏈DNA（通過加熱或是堿性環(huán)境如接觸氫氧化鈉），然后和目標單鏈DNA雜交。</p><p><b>　　3.結果和討論</b&

18、gt;</p><p>　　3.1 修剪裝置的特征描述</p><p>　　氧和硅的反應在大自然中很普遍。舍費爾證實了，尤其，在原子層面，氧（和硅）以相對大結構的二氧化硅的形式擴散。為了實現(xiàn)硅納米絲更佳的各向異性蝕刻剖面的縱橫比，干蝕刻法更好。這項技術保證了精確的控制蝕刻深度和剖面，因為相比于傳統(tǒng)的各向同性的濕蝕刻法，偶然的離子能量，氣體類型和壓力可以被控制地更準確。然而，在干蝕刻中，這些

19、參數(shù)間有很多復雜的互相影響。如果想給更小的納米絲做出一個光滑蝕刻剖面，這項發(fā)展將很具有挑戰(zhàn)性。</p><p>　　在這項研究中，我們使用兩種方法去獲得最小可能的納米絲維度而不對基底或設備造成損害。電感耦合等離子體被用于修剪剖面從1微米寬降到200納米，然后濕蝕刻法將絲從200納米降到10納米。之后，經(jīng)過連續(xù)四步，包含浸入到10:1緩沖氧化蝕刻液兩分鐘進行氧化和在1000攝氏度下進行灰燼修整。圖二顯示制造出的硅納

20、米絲在電場發(fā)射掃描電子顯微鏡下的影像。</p><p>　　在氧化的過程一開始，氧原子被嵌入導致納米絲的直徑膨脹了將近20%。此時，不會有進一步的離子滲入硅，也就不會有進一步的氧化。因為巨大的壓力集中在靠近二氧化硅/硅的表面的氧化部分。事實上，硅的核心/二氧化硅的殼的結構由此形成了。并且即使不斷進行修整，納米絲也不會完全被氧化。這種機制也被分子動態(tài)模擬所支持，顯示出受壓力影響，離子會停止?jié)B入硅。因此，這是一個自身

21、限制的氧化技術，僅僅可以使結構從1微米直徑降到20納米。從氣筒到氣/氧化物接觸面的氧化量流量（單位時刻通過單位面積的分子數(shù)量）不同于從氧化物到硅表面的流量，由此可知有部分氧化流量在硅/二氧化硅表面發(fā)生反應。</p><p>　　為了監(jiān)督設備修整過程，硅納米絲的電導率被觀察，電流-電壓曲線在電壓值從0V-10V被畫出。然而，灰燼修整時的電流-電壓曲線不在這里呈現(xiàn)。歸納來說，將蝕刻到200納米的干蝕刻法和接下來的濕蝕

22、刻法結合到一起才能得到最為理想的維度值。尤其，圖二可見一個界限分明的形狀。</p><p>　　圖二。修整制造后的硅納米絲設備</p><p>　　在最終的干蝕刻階段后的一個垂直發(fā)射過程，金被光刻法固定在納米絲上。然后，樣品被超薄鈦預處理，在硅納米絲和金襯墊間形成一個電阻性的接觸。一旦修整過程結束，電流-電壓特性被吉時利4200半導體參數(shù)分析儀測量出來。采用一個典型的電流-電壓測量設置，電

23、壓施加到源極，輸出電流在漏極被測量。細節(jié)此處不贅述，但是通常，當絲寬度減少時，電流降低，暗示著阻抗的增加。</p><p><b>　　3.2 PH反應</b></p><p>　　使用兩探頭的電流-電壓測量儀驗證了依賴PH的電流反應。由于硅納米絲的高阻抗性，可以預期一個很小的電流。出于這個考慮，采用吉時利2400電流分辨率為10pA的電容測量儀。為了確定儀器的可用性

24、，它被當做場效應管，并接受各種ph值。因為儀器表面上占主導的是空穴（p型材料），它對ph的反應良好。為了進一步加強這種反應，我們將硅納米絲表面放置于低ph流體以便使其質子化，給外表提供正電荷充電。尤其，在ph為3的緩沖液，納米絲表面得到正電荷-,這將激發(fā)納米絲里的載流子（空穴）移動。這種方法是由Lehoucq及其他人（2012）提出。在這些條件下，納米絲的表面充當一個陽性正柵極，影響納米絲里的流動載流子。（Barkelid和 Steel

25、e，2012）。例如，當硅納米絲表面在更低ph的流體中去質子化時，移動載流子會相應減少。當修改后的p型硅納米絲設備在ph2和ph14的溶液中測試時，它電導將呈現(xiàn)階梯式遞增。這與Swails及其他人(2014)所做的相似實驗的結果一致。在Swails實驗中，ph是用點滴管人為地從ph值2階梯式升到ph值14.（圖三）</p><p>　　事實上，電導和ph之間是近似線性正比例關系，從感應的角度來說，這是一個極好的特

26、性。此特性由兩組不同的感受器在不同ph值間：硅羥基和氨鹽基基團，質子化或去質子化而得出結論： 從機械學角度上看，電導隨ph的增加而增加和表面正電荷（陰電荷）充電的減少（增加）是一致的，通過積累載流子而開啟p型場效應管。表面接受者在明確納米絲傳感器的反應中起到的關鍵作用就是增加了表面充電量，減少了納米絲的電導。</p><p>　　圖三。硅納米絲探測儀對于從ph2-ph14變化的電子反應</p>&l

27、t;p>　　這個機制也被Lehoucq及其他人（2012）所證實。尤其，單個連接到表面的充電分子被檢測到，在不同ph濃度下的硅納米絲的測試充電也被激發(fā)。當ph下降時，電荷積累也減少。ph等于2時，電荷積累也幾乎微不可察。因為更多的硅羥基表面基團被質子化，根據(jù)反應式，導致硅表面更少的隱性電荷充電。當酸濃度上升（ph下降）時，表面充電量的降低將減少充電電荷累計，這可以用DLVO理論解釋（Adamczyk和Weronski，1999）。

28、媒介中高濃度的離子限制了離子的轉移并導致了更多的電荷積累，因為靜電荷的相互作用較之與范德華力更有力。（Adamczyk和Weronski，1999）</p><p>　　3.3借助硅納米絲場效應管的DNA檢測</p><p>　　因為硅納米絲有更大的面容比，設備對于環(huán)境中的自身充電很敏感（Clement及其他人，2011）。然而，出于挑選反應，需要設備表面的適當功能化和適當?shù)纳锓肿踊蚴腔?/p>

29、學接受物。（Clement及其他人，2011；Agrawal及其他人，2009）。在探針固定和DNA雜交過程期間，為確保設備的工作，需要監(jiān)督其電流-電壓特性。（圖四）在單鏈DNA固定之后，記錄到電流提升了大約3pA；在和一個完全互補的DNA鏈雜交后，觀察到電流的顯著增加。增加的幅度依賴于互補DNA鏈的濃度，這與表面負電荷充電的增加是一致的，就像剛剛所觀察到的ph結果一樣。挑選一個特別的目標分子通常是靠把衣蛾特殊的識別基團連接到硅納米絲表

30、面。在這項研究中，正如之前描述的，一個硅氧化層和統(tǒng)一的氫氧鍵是第一個加到表面的。接下來，將其浸入（3-氨丙基）三乙氧基硅烷溶液以便連接到戊二醛，然后DNA低聚體可以有效地連接到納米絲表面跟互補DNA反應。本研究中最佳移接（3-氨丙基）三乙氧基硅烷的方法是通過探索（3-氨丙基）三乙氧基硅烷的濃度，硅烷化的時間和硅烷化的溫度探索出的。</p><p>　　圖四.硅納米絲感受器的電流-電壓曲線。表面對于探針中的變化和目

31、標DNA濃度和從目標DNA濃度從0.1nM到25nM的電導遞增非常敏感</p><p>　　在第二部分解釋到，硅氧化層在硅納米絲表面形成的，充當生物分子連接的第一層。（Kumar Gunda及他人，2014）。氫氧鍵基團會被水解形成硅烷鍵（Si-O-Si）和（3-氨丙基）三乙氧基硅烷，這樣會固定單鏈DNA探針（Sinko，2010；Yang及他人，2012）。（3-氨丙基）三乙氧基硅烷綁定單鏈DNA (5′-CT

32、G ATAGTAGATTTGTGATGACCGTAGAAA)的能力通過觀察納米絲表面充放電及調整后而被確認。（圖五）電流從0A增加到3.0pA導致了負電荷充電。Kumar Gunda及他人（2014）在做硅烷層厚度優(yōu)化研究中也得出了相似的觀察結果。而且，當目標單鏈DNA(5′CTACGGTCATCACAAATCTACTAT CAG-3′)加到溶液中，電流隨著目標單鏈DNA濃度的增加而增加。因此，可得出結論電流隨目標單鏈DNA濃度的增加而

33、增加主要是因為探針目標單鏈DNA和互補物之間的靜電作用影響納米絲的電性質和電子傳遞動力學。</p><p>　　通過不同濃度的目標單鏈DNA溶液，探究傳感器的敏感性。以氨基為基礎的探針DNA硅納米絲儀器在目標單鏈DNA濃度為0.1,1,5,10,15,20和25nM下的測量電流值如下圖五所示。顯然，降到100pM濃度是，傳感器可以準確測出目標DNA。儀器的可靠性在目標單鏈DNA濃度為100pM到25nM之間也被檢

34、驗出。濃度0.1nM時電流0.5pA，當濃度1nM時，電流升到1pA。這種反應機理如下。正如我們所知道的，一個負向門限電壓作用于p型溝道場效應管將在源極和漏極間產生一個電導通路。這種負電荷充電將導致正電的空穴從源極和漏極到柵極電極運動并會將n型半導體的電極中的電子排到體相結構。因此，充電區(qū)域的電導會下降，源極和漏極間的電流會增加。相似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在生物分子傳感器中，這種目標單鏈DNA和硅納米絲上固定的探針單鏈DNA間的雜交影響著柵極的電

35、勢。因此，目標識別反應直接影響著源極-漏極電流。這將造成圖中清晰的電導變化。我們因此可以得出結論場效應生物感受是基于納米絲表面的電荷分配的變化。尤其，離子和DNA的磷酸鹽基團的相互作用本質上是靜電作用并會造成部分充電。當目標單鏈DNA分子和固定的探針單鏈D</p><p>　　圖五。僅探針DNA和不同濃度的目標DNA下的電流。誤差線顯示了根據(jù)各個濃度下的電流測量而計算出的標準偏差。</p><

36、p>　　傳感器重復檢查目標單鏈DNA的能力也被探索。七種濃度的目標單鏈DNA的每一組都設置三組不同樣本，以24小時為間隙連續(xù)檢查八次。在為同一臺儀器上進行重復檢查進行連續(xù)雜交之前，儀器要用鹽水（50nM氯化鈉）清洗。為了固定傳感器上的探針分子，為進一步的雜化獲得單鏈表面連栓的序列，雜化后的雙鏈寡核苷酸需要再清洗一次。這些序列需要再雜交一次，結果和同一臺儀器的之前的結果進行比對。結果將顯示雙鏈構造DNA會和傳感器完全分離，而不對傳感

37、器造成任何傷害。傳感器可以在清洗后以24小時為間隙連續(xù)進行八次雜交過程。</p><p>　　這七種濃度或僅僅是探針DNA的重復試驗間幾乎沒有差別。事實上，從連續(xù)實驗中可以獲得100%的相似性，而且八次試驗的平均值在96%到100%間，標準差在1%到5%間。因此，此傳感器在濃度在0.1nM下有著高度重復使用性和最小的檢查局限。然而需要在臨床應用中做進一步的重復實驗。例如超過一周的測試間隙需要研究，一千次檢測后的感

38、受器重復利用性和更新性需要檢查?？煽啃詫嶒灴梢韵裰懊枋龅牟襟E一樣實施。然后，我們知道傳感器的反應是受納米絲的規(guī)格和表面組分等因素影響的。因此，在實驗之前，基于實驗所用到的高低濃度可以評估儀器的反應。尤其，在25nM（G25）和0.1nM（G0.1）下的電流反應被測量以定義下面的儀器反應評估值。</p><p>　　評估的儀器反應近似于95%，即它可以明確地檢測出0.1nM等低濃度，因為納米絲表面上的局部電荷。可

39、靠性實驗的目的，僅僅考慮到了最小的濃度（0.1nM）。這個實驗清楚地證明了這個感應器的高度感應性和重復利用性，也展現(xiàn)了在液態(tài)環(huán)境下對于特殊分子抗衡離子的反應。</p><p><b>　　4.結論</b></p><p>　　我們證明了硅納米絲液態(tài)門限感受器的發(fā)展。硅納米絲可以很容易地在不同ph的溶液中質子化和去質子化，因此可以充當超靈敏ph感受器。而且，生物功能硅可

40、以成功探測特定DNA或是蛋白質分子。感受器有選擇地檢測目標單鏈DNA分子，在濃度100pM-25nM間可以做出線性反應。因此，這種感受器平臺對于特殊的生物標記物和其它目標蛋白質的檢測很有保證，而且有能力用作感受ph和帶電分子甚至是單電荷的敏感探測器?；诎雽w的生物感受器大多僅僅對它們被設計用來檢測的目標分子有挑選性，選擇性的程度取決于感受器的類型，目標分子和它的濃度。最好的生物感受器對于單個目標分子有著很好的挑選性且很可靠?，F(xiàn)有的研究