硅纳米线生物传感器在疾病诊断中的应用＊
汪淑婷，宁 勇 综述，张国军△审校 【期刊名称】国际检验医学杂志 【年(卷),期】2015(000)006 【总页数】3
【关键词】硅纳米线； 场效应晶体管； 生物传感器； 临床检验诊断
临床检验诊断学的发展日新月异，新技术、新方法不断出现，极大提升了实验室的检验能力，也为临床诊断提供越来越重要的帮助。在低浓度生物分子检测方面，现有检测方法以标记式检测技术为主，如酶联免疫吸附法、荧光免疫分析法、放射免疫检测法和化学发光免疫分析法等，它们通过标记于抗原或抗体上的酶、荧光素、同位素或化学发光剂产生的信号来指示检测分子的含量，具有灵敏度高，特异性好的优势，但也存在一些不足之处：（1）标记过程繁琐、耗时，标记技术会造成检测时非特异性信号放大。（2）检测时间较长，难以实现实时检测。为此，发展和建立灵敏、快速、免标记的低浓度生物分子检测方法具有极其重要的意义。
随着学科间的交融渗透，通过检测生物分子的电荷、质量或其他性质来指示其含量的免标记检测方法逐渐建立，如场效应晶体管传感器［1］、压电传感器［2］和表面等离子体共振技术［3］等。其中场效应晶体管（FET）是一种能够通过外界电场控制沟道导电性的电子元件，因其沟道导电性也受生物分子电荷影响而用于生物传感器。近年来，基于硅纳米线 （SiNW）材料的FET传感器以成本低、灵敏度高、能实时响应、易于集成制备、传感性能优异等优点，受到人们的广泛关注。目前，硅纳米线场效应晶体管 （SiNW FET）生物传感
器已成功用于多种低浓度生物分子的检测［4－11］，在临床检验诊断领域展示出巨大的应用前景。
1 SiNW FET生物传感器简介
SiNW是直径在纳米尺寸的一维硅材料，内核是硅，外有二氧化硅包裹层。在有SiO2绝缘层的Si衬底上，排列有SiNW阵列，纳米线的两端沉积金属膜，分别作源极和漏极。在SiNW上加缓冲液，再插入参比电极，构成液栅装置，见图1（见《国际检验医学杂志》网站主页“论文附件”）。通过参比电极加栅压，可调节SiNW的导电性能，这种性能变化用源漏电极间电路来监测。当SiNW表面修饰有靶分子受体时，就能捕获检测液中特异性的靶分子，从而感受由靶分子电荷引起的纳米线导电性能变化，这种变化在一定范围内与靶分子浓度的对数线性相关，因此可以定量检测靶物质。
该传感器的特点主要有以下几个方面：（1）灵敏度高，FET可以把结合到沟道上的少量靶分子电荷进行信号放大，且纳米线具有大的比表面积和量子限域效应等，使得其灵敏度很高［12］，最低检测限达fmol／L水平，检测范围宽，在fmol／L～nmol／L之间；（2）响应快速，可实现在线检测；（3）由于采用芯片技术，样本需要量少；（4）无需标记。结合微流控技术和可直接读取结果的专用集成电路芯片，可实现样本处理、检测和读取结果一体化。
SiNW FET传感器也有其自身局限性，如实际样本检测受德拜长度的影响和一般不能直接检测不带电荷的物质。对此，科学家们通过研究得出了一些有效的解决方案。（1）德拜长度是溶液中异性离子对生物大分子电荷的屏蔽范围，超过这个范围生物分子的电荷将不能被SiNW FET检测到。德拜长度与溶液离子强度有关，离子强度越大，德拜长度越短。通常血清离子强度较高，德拜长度
低于1nm［13］，而生物分子受体包括抗原、抗体和核酸探针的尺寸都远大于此，因此无法直接在未处理血清中进行实时检测。研究表明通过降低检测液离子强度，在低浓度的缓冲液如0.01×PBS［4］、稀释血清［5］或除盐的血清［6］中实时检测则能进行。此外，若采用先与待测液反应再换低浓度缓冲液检测的方式，则能避免德拜长度的影响［7－8，14］。（2）对于不带电荷的物质，Ah等［15］采用竞争法，使待测靶分子与SiNW表面修饰的靶分子竞争结合金纳米粒子表面的受体，然后在结合于SiNW表面的金纳米粒子上沉积金，引起强烈的信号，间接指示待测物含量，和Chang等［16］通过在SiNW 受体上引入一带电荷物质，用不带电荷的靶分子与受体结合引起电荷物质释放产生的信号指示其含量，建立了不带电荷生物分子的SiNW FET传感器，拓宽了这种传感器的应用范围。
2 SiNW FET生物传感器在疾病诊断中的应用
SiNW FET生物传感器在低浓度的生物分子检测方面的上述优势，使其具有广泛的临床应用价值。近年来，科学家们通过用SiNW FET生物传感器检测生物标志物，展示了其在多种疾病诊断中的应用潜能。
2.1 肿瘤早期检测 肿瘤标志物检测对肿瘤早期诊断具有重要意义［17］。Zheng等［6］成功用SiNW FET生物传感器对多种肿瘤标志物（包括PSA、CEA和黏蛋白）进行了检测。通过在SiNW上修饰PSA单克隆抗体，检测缓冲液基质中不同浓度的PSA，结果沟道电导率变化与PSA浓度线性相关，线性范围为90fg／mL～5ng／mL，最低检测限达75fg／mL（约2fmol／L）。该传感器具有普适性，将修饰抗体变换为相应靶分子抗体，作者实现了对CEA和黏蛋白的检测，最低检测限分别低至100fg／mL（0.55fmol／L）和75fg／
硅纳米线生物传感器在疾病诊断中的应用
