精确的GaN生物传感器模型，可快速优化灵敏度等性能
2021-06-04 20:45:21   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

电化学生物传感器通过生物分子之间的特异性识别作用将目标分子与其反应信号转化成电信号，从而实现对目标分析物的定性或定量检测。该类传感器可用于检测癌症及其它疾病的早期症状、环境污染或食品污染等。氮化镓（GaN）是半导体行业用于生产高密度电子电路的新型材料之一，目前已成为电动汽车控制电路的首选材料，从而推动了GaN技术的发展。因为GaN晶体管坚固耐用、可承受高电压且开关速度更快，所以适用于大功率、高频率应用。上述特性还使其能够感知电荷的微小变化，因而成为电化学生物传感器的良好候选材料。

GaN器件的制造工艺复杂且成本昂贵，目前仍处于新兴阶段。而使试验和误差最小化所需的精确数学模型尚不适用于GaN生物传感器。据麦姆斯咨询报道，来自印度理工学院孟买分校（Indian Institute of Technology Bombay，简称：IIT Bombay）的研究人员开发了一款比现有可用模型更准确的GaN生物传感器。该模型考虑了晶体管界面的表面电荷和含有“被分析物（待检测的生物分子）”的溶液的影响，而早期模型并未考虑该因素。他们的研究成果发表在IEEE Sensors Letters期刊上。

GaN生物传感器基于一种被称为“生物高电子迁移率晶体管（bio High Electron Mobility Transistor，bioHEMT）”的三端纳米器件。其中两个端，分别称为源极和漏极，通过半导体材料中的电载流子通道连接。第三端称为栅极，控制通道中流动的电流。栅极涂有一层生物分子识别元件（探测器），暴露于被分析物溶液中。被分析物和检测器分子之间的相互作用产生电荷，改变栅极电压，从而改变通过晶体管的电流。电流的变化与生物标志物浓度成正比，因此可用于生物传感。

“bioHEMT使检测生物标志物浓度非常微小的变化成为可能，并可作为早期疾病预警传感器。”该研究的作者Siddharth Tallur教授说。

栅极和被分析物溶液的界面上，形成一层薄薄的双电荷层。早期模型将该层描述为电介质。电介质是有电荷沉积表面的电绝缘体。实际上，双层结构具有存储电荷的作用，相当于一个电容器。“双层结构的电荷会影响晶体管中的电流。因此，如果不考虑它们的影响，可能会导致对被分析物浓度的错误估计。”Tallur教授解释说。基于不完整模型设计的最终器件可能无法按预期检测生物标志物浓度的微小变化。

“一个精确的模型可以帮助设计人员调整传感器的参数，以完全按照规格要求进行研发和生产。这将降低开发成本并便于采用最新的GaN传感技术。”Tallur教授说。

在创建的模型中，研究人员推导出了一个数学表达式，该表达式根据生物传感器的电气和物理特性、生物标志物浓度和施加在栅极上的电压，来计算通过传感器的电流。研究人员遵循的方法类似用于硅器件的方法。他们在推导这个方程式时，考虑了界面处的电荷层。为了证明该模型的准确性，研究人员利用它来模拟一款生物传感器的性能，目标是检测一种叫做前列腺特异性抗原的分子，如果患有前列腺癌，该抗原浓度会增加。对于不同的分子浓度，他们计算了通过器件的电流随栅极电压变化而变化的情况。

研究人员通过一个考虑了界面处电荷层影响的模型计算出的电流值，来验证该模型。计算模型对生物传感器的性能进行独立分析，并分析通过器件的电流值。研究人员使用该模型来预测生物传感器的灵敏度，即测量目标分子浓度发生特定变化时电流会发生多大变化。高灵敏度意味着生物传感器甚至可以检测到浓度的微小变化。他们发现，该模型预测的灵敏度值比之前未考虑界面电荷层影响的模型预测的值低约20%。他们还使用该模型预测的灵敏度与其他团队在类似设置下，通过实验测量的灵敏度值进行了比较，发现计算出的灵敏度值与实验测量值有10%的偏差。

“我们提出了一个简单的分析公式，可使设计人员仅通过一个方程式就可快速优化器件性能。”Tallur教授评论道。研究人员表示，该模型可以扩展至准确估计生物传感器的灵敏度，这些生物传感器可以检测其它类型的癌症和以早期预警生物标志物为特征的各种疾病。GaN器件可在恶劣条件下运行，例如高腐蚀性和高温环境等。这使得GaN器件成为开发耐用、可靠、高灵敏度、使用寿命长的环境监测传感器的一个有吸引力的选择，例如用于水质监测的农业传感器。

“随着各行各业越来越多地采用GaN器件，预计未来几年内，GaN生物传感器的应用空间将显着增长。”Tallur教授总结道。