電化學(xué)生物傳感器通過生物分子之間的特異性識(shí)別作用將目標(biāo)分子與其反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分析物的定性或定量檢測。該類傳感器可用于檢測癌癥及其它疾病的早期癥狀、環(huán)境污染或食品污染等。氮化鎵（GaN）是半導(dǎo)體行業(yè)用于生產(chǎn)高密度電子電路的新型材料之一，目前已成為電動(dòng)汽車控制電路的首選材料，從而推動(dòng)了GaN技術(shù)的發(fā)展。因?yàn)镚aN晶體管堅(jiān)固耐用、可承受高電壓且開關(guān)速度更快，所以適用于大功率、高頻率應(yīng)用。上述特性還使其能夠感知電荷的微小變化，因而成為電化學(xué)生物傳感器的良好候選材料。

GaN器件的制造工藝復(fù)雜且成本昂貴，目前仍處于新興階段。而使試驗(yàn)和誤差最小化所需的精確數(shù)學(xué)模型尚不適用于GaN生物傳感器。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來自印度理工學(xué)院孟買分校（Indian Institute of Technology Bombay，簡稱：IIT Bombay）的研究人員開發(fā)了一款比現(xiàn)有可用模型更準(zhǔn)確的GaN生物傳感器。該模型考慮了晶體管界面的表面電荷和含有“被分析物（待檢測的生物分子）”的溶液的影響，而早期模型并未考慮該因素。他們的研究成果發(fā)表在IEEE Sensors Letters期刊上。

GaN生物傳感器基于一種被稱為“生物高電子遷移率晶體管（bio High Electron Mobility Transistor，bioHEMT）”的三端納米器件。其中兩個(gè)端，分別稱為源極和漏極，通過半導(dǎo)體材料中的電載流子通道連接。第三端稱為柵極，控制通道中流動(dòng)的電流。柵極涂有一層生物分子識(shí)別元件（探測器），暴露于被分析物溶液中。被分析物和檢測器分子之間的相互作用產(chǎn)生電荷，改變柵極電壓，從而改變通過晶體管的電流。電流的變化與生物標(biāo)志物濃度成正比，因此可用于生物傳感。

“bioHEMT使檢測生物標(biāo)志物濃度非常微小的變化成為可能，并可作為早期疾病預(yù)警傳感器。”該研究的作者Siddharth Tallur教授說。

柵極和被分析物溶液的界面上，形成一層薄薄的雙電荷層。早期模型將該層描述為電介質(zhì)。電介質(zhì)是有電荷沉積表面的電絕緣體。實(shí)際上，雙層結(jié)構(gòu)具有存儲(chǔ)電荷的作用，相當(dāng)于一個(gè)電容器。“雙層結(jié)構(gòu)的電荷會(huì)影響晶體管中的電流。因此，如果不考慮它們的影響，可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)被分析物濃度的錯(cuò)誤估計(jì)。”Tallur教授解釋說。基于不完整模型設(shè)計(jì)的最終器件可能無法按預(yù)期檢測生物標(biāo)志物濃度的微小變化。

“一個(gè)精確的模型可以幫助設(shè)計(jì)人員調(diào)整傳感器的參數(shù)，以完全按照規(guī)格要求進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)。這將降低開發(fā)成本并便于采用最新的GaN傳感技術(shù)。”Tallur教授說。

在創(chuàng)建的模型中，研究人員推導(dǎo)出了一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式，該表達(dá)式根據(jù)生物傳感器的電氣和物理特性、生物標(biāo)志物濃度和施加在柵極上的電壓，來計(jì)算通過傳感器的電流。研究人員遵循的方法類似用于硅器件的方法。他們?cè)谕茖?dǎo)這個(gè)方程式時(shí)，考慮了界面處的電荷層。為了證明該模型的準(zhǔn)確性，研究人員利用它來模擬一款生物傳感器的性能，目標(biāo)是檢測一種叫做前列腺特異性抗原的分子，如果患有前列腺癌，該抗原濃度會(huì)增加。對(duì)于不同的分子濃度，他們計(jì)算了通過器件的電流隨柵極電壓變化而變化的情況。

研究人員通過一個(gè)考慮了界面處電荷層影響的模型計(jì)算出的電流值，來驗(yàn)證該模型。計(jì)算模型對(duì)生物傳感器的性能進(jìn)行獨(dú)立分析，并分析通過器件的電流值。研究人員使用該模型來預(yù)測生物傳感器的靈敏度，即測量目標(biāo)分子濃度發(fā)生特定變化時(shí)電流會(huì)發(fā)生多大變化。高靈敏度意味著生物傳感器甚至可以檢測到濃度的微小變化。他們發(fā)現(xiàn)，該模型預(yù)測的靈敏度值比之前未考慮界面電荷層影響的模型預(yù)測的值低約20%。他們還使用該模型預(yù)測的靈敏度與其他團(tuán)隊(duì)在類似設(shè)置下，通過實(shí)驗(yàn)測量的靈敏度值進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的靈敏度值與實(shí)驗(yàn)測量值有10%的偏差。

“我們提出了一個(gè)簡單的分析公式，可使設(shè)計(jì)人員僅通過一個(gè)方程式就可快速優(yōu)化器件性能。”Tallur教授評(píng)論道。研究人員表示，該模型可以擴(kuò)展至準(zhǔn)確估計(jì)生物傳感器的靈敏度，這些生物傳感器可以檢測其它類型的癌癥和以早期預(yù)警生物標(biāo)志物為特征的各種疾病。GaN器件可在惡劣條件下運(yùn)行，例如高腐蝕性和高溫環(huán)境等。這使得GaN器件成為開發(fā)耐用、可靠、高靈敏度、使用壽命長的環(huán)境監(jiān)測傳感器的一個(gè)有吸引力的選擇，例如用于水質(zhì)監(jiān)測的農(nóng)業(yè)傳感器。

“隨著各行各業(yè)越來越多地采用GaN器件，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)，GaN生物傳感器的應(yīng)用空間將顯著增長。”Tallur教授總結(jié)道。

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