IGZO薄膜晶體管生物傳感器無標記檢測強直性脊柱炎

呂騰博,劉嘉樂,2,劉麗,李昕,韓傳余,王小力,2

(1. 西安交通大學微電子學院,710049,西安; 2. 西安交通大學物理學院,710049,西安;3. 沈陽大學師范學院,110003,沈陽)

強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)是一種慢性、進行性的系統性炎癥性關節病,主要影響脊柱和骨盆區域。該疾病通常在青少年或青壯年階段開始,并呈慢性進行性發展,可能導致持續的脊柱僵硬、疼痛和功能障礙[1-3]。除了脊柱受累外,強直性脊柱炎還可能累及其他關節、眼睛和心血管系統等。強直性脊柱炎的病因尚未完全明確,但存在遺傳易感性和環境因素的相互作用。目前,AS尚無根治方法,但通過早期診斷、綜合治療和康復措施可以緩解疼痛、減輕炎癥反應,早期干預和定期監測是管理該疾病的關鍵。當前AS診斷方法主要包括臨床表現、影像學檢查、病理學檢查、血清學檢查等。但AS屬于一種慢性炎癥,其癥狀易與關節炎或者其他慢性疼痛病癥,如纖維肌痛、慢性疼痛綜合征等相重疊。在診斷過程中,需要綜合考慮患者的癥狀、體征、家族史、影像學檢查和實驗室檢查等多方面信息,以排除其他疾病并最終確定強直性脊柱炎的診斷。

研究表明,人體免疫系統異常和HLA-B27基因的相關性是該疾病發生的重要因素[4-5]。HLA-B27基因陽性與AS的發病率顯著相關,可以作為AS早期診斷的血清學分子標志物之一,通過檢測患者的HLA-B27抗原,可以對強直性脊柱炎的可能性進行初步篩查。目前,臨床針對HLA-B27的檢測方法主要有:酶聯免疫吸附試驗(ELISA)或熒光免疫分析(FIA)檢測抗原是否存在,聚合酶鏈反應(PCR)技術檢測HLA-B27基因的存在與否,免疫組化方法對滑膜組織或關節液檢測基因的表達情況等。但這些檢測方法耗時費力、受引物影響較大且檢測成本高。

近年來,由于體積小、靈敏度高、響應速度快、成本低等諸多優點,基于場效應晶體管的生物傳感器取得了許多重要進展[6-9]。目前,生物傳感器大都采用二維材料(石墨烯[10]、二硫化鉬[11]、碳納米管[12]等)作為溝道材料,亦或是采用AlGaN/GaN HEMT[13],雖然這些FET的電子遷移率可以達到很高的數值,且在眾多的研究中都展示出了良好的傳感性能,但仍存在制備工藝相對復雜、器件一致性不足、制備成本高等挑戰。非晶氧化物半導體的TFT由于制備溫度低、遷移率高、均勻性好等優勢受到了學術界和工業界的廣泛關注。目前,在各類TFT中,非晶的銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管(IGZO TFT)的研究最為成熟,IGZO是一種新型的n型半導體材料,被廣泛應用于液晶顯示器等領域[14-17]。相比于傳統的非晶硅薄膜晶體管,IGZO TFT具有更高的電子遷移率、更低的漏電流和良好的透光率,可以顯著提高TFT的開關速度、降低功耗、提高顯示器的分辨率和色彩飽和度[11-12]。研究表明,IGZO TFT不僅可以應用于顯示領域,而且基于其對光、壓力、pH及氣體等參數具有可區分敏感性的優勢,IGZO TFT在神經形態電子學[18]及包括光學[19]、生物[20-21]、氣敏[22-23]及壓力[24-25]等在內的傳感器領域也具有重要的研究和應用意義。

本文提出了一種IGZO TFT生物傳感器,用于定量檢測強直性脊柱炎血清學分子標志物,HLA-B27抗體功能化的IGZO TFT具有良好的可靠性和高靈敏度,所制備的生物傳感器可以定量檢測HLA-B27的質量濃度,檢測極限低至1pg/mL。本文設計的高性能生物傳感器有望擴展為傳感器陣列平臺,實現對某種疾病多種標志物的聯合檢測,在便攜式床旁診斷設備的應用中具有巨大潛力。

1 實驗部分

1.1 IGZO TFT的制備

采用背柵頂接觸結構制造a-IGZO TFT,實驗具體流程如下:選用電阻率低于0.005 Ω·cm的p型重摻雜硅作為襯底和柵電極,在硅上有一層300 nm厚的熱氧化SiO2,作為器件的柵介質層,首先對襯底進行標準清洗,利用光刻技術和射頻磁控濺射沉積IGZO薄膜,其中In、Ga、Zn三者的原子比為1∶1∶1;為了保證薄膜優異的半導體性質,濺射過程中的Ar和O2的流量比為24∶1.2,沉積氣壓設置為0.8 Pa,沉積功率設置為50 W;在沉積了50 nm的IGZO有源層之后,在空氣下進行350℃熱退火處理1 h;利用電子束蒸發技術,在表面選擇性沉積了10 nm 厚的鈦(Ti)和100 nm厚的金(Au)作為源極(S)和漏極(D),其中器件溝道寬長比W/L=100/40;最后,利用SU-8光刻膠對金屬電極進行鈍化,利用光刻工藝將溝道區域暴露出來以便后續的修飾過程。

1.2 功能化修飾

將暴露出的傳感區域浸入到5%的3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)溶液中孵育1 h,用乙醇清洗,并在110℃的烘箱中靜置30 min,使APTES的硅烷化作用更強;然后將APTES-IGZO表面浸入5%的戊二醛溶液中,在搖床上孵育2 h,完成后用PBS緩沖液沖洗并用氮氣吹干;再將其用10 μg/mL的HLA-B27抗體溶液在4℃下孵育24 h,用去離子水沖洗并用氮氣吹干;最后,在4℃下用0.01 g/mL的BSA溶液孵育1 h,用于鈍化表面并減少非特異性吸附。修飾后的傳感器原理如圖1所示。

圖1 功能化的IGZO TFT生物傳感器示意圖 Fig.1 Schematic diagram of the functionalized IGZO TFT biosensor

1.3 測試與表征

分別采用X射線衍射(XRD)和X射線光電子譜(XPS)對薄膜的性質進行了探究,采用半導體器件測試系統(Keithly 4155)表征傳感器的輸出和轉移特性曲線。

2 結果與討論

2.1 IGZO薄膜的特性分析

首先對磁控濺射的IGZO薄膜進行特性分析,采用XRD驗證IGZO薄膜是否為非晶態,如圖2(a)所示。可以看出,薄膜未表現出尖銳的晶態峰,只有散射峰存在,說明薄膜的形態和內部結構一致,利用磁控濺射制備的IGZO薄膜呈現非晶態,這是因為在室溫狀態下,O原子不足以與In、Ga、Zn原子形成晶體結構。非晶態的IGZO薄膜沒有明顯的晶界,表面平整度相對較好。使用XPS對薄膜的性質進行探究,未退火條件下的IGZO薄膜的XPS能譜圖如圖2(b)所示,其中In3d、Ga3d、Zn2p和O1s的特征峰明顯,基本無其他雜質,其中的C元素為XPS圖譜定標時所用,結合能用284.8 eV的C1s峰為基準校正。由于IGZO是一種N型半導體材料,主要依靠淺能級氧空位提供自由電子,薄膜中氧空位含量會影響其導電性,進而影響器件的性能。隨后對比了退火前后薄膜內部氧空位含量的差異,使用XPS對未退火和空氣下400℃退火30 min的O1s能譜進行測量,測量完成后將每個O1s能譜分為晶格氧OⅠ和空位氧OⅡ能譜,結果如圖2 (c)、2(d)所示。未退火時氧空位為44.54%,退火后氧空位降至35.97%,表面退火處理后薄膜內部的氧空位含量大幅度降低,退火能夠有效消除薄膜的內部缺陷,改善薄膜質量[26]。

(a)IGZO薄膜的XRD圖譜

(b)a-IGZO薄膜的XPS能譜圖

(c)不退火條件的O1s能譜

(d)空氣400℃退火30 min的O1s能譜

2.2 IGZO TFT的電學性能

對于生物傳感器,IGZO TFT器件本征的性能是作為傳感器的基礎,首先對IGZO TFT的電學特性進行了測量,由于IGZO薄膜在空氣中比較穩定,所以測試在空氣中進行。對器件施加2 V的漏極電壓,測量器件的場效應特性,包括件的轉移特性曲線和輸出特性曲線,結果如圖3(a)、3(b)所示,圖中Ig為柵漏電流。從轉移曲線中看到,IGZO TFT存在一定的遲滯窗口,由于有源層是通過物理沉積方法制備的,有源層與絕緣柵介質的界面處存在一定的缺陷,缺陷捕獲載流子再釋放,從而導致了器件的回滯現象。為了評價器件性能的優劣[27-29]需計算出器件的場效應遷移率,即

(1)

式中:W、L分別為TFT溝道的寬和長;Cox為單位柵氧化物電容;gm為TFT的跨導。計算可得μFE=15.43 cm2·(V·s)-1,電流開關比Ion/Ioff=7.3×108,動態交換容量亞閾值擺幅S=0.71 V。這說明制備的IGZO TFT具有優異的電學特性,且相比文獻中報道的遷移率還要高[20,23,29-31]。為了研究器件的均一性,在相同的氧化硅襯底上制備了9個IGZO TFT測試了轉移特性曲線,如圖3(c)所示,可知不同器件的曲線基本一致。上述結果表明,IGZO TFT具有優異的場效應特性和均一性。器件的偏壓穩定性結果如圖3(d)所示,當施加了一段時間的正偏壓后,器件閾值電壓向右漂移,對于遷移率和亞閾值擺幅并沒有太大的影響,閾值電壓增大是IGZO TFT一直存在的問題。引起閾值電壓變大的原因是界面缺陷態捕獲電荷以及電荷進入柵絕緣層。在正偏壓下,陷阱態處的電子對柵壓有部分抵消作用,導致溝道中有效電場變小[32-33]。

(a)IGZO TFT的轉移特性

(b)IGZO TFT的輸出特性

(c)IGZO TFT器件的均一性

(d)柵極正偏壓下IGZOTFT轉移特性

2.3 IGZO TFT用于HLA-B27的檢測

利用APTES修飾的IGZO TFT可以錨定抗體在溝道表面,抗體功能化后的IGZO TFT能夠特異性的檢測強直性脊柱炎血清學分子標志物HLA-B27抗原。圖4展示了修飾前后IGZO TFT的轉移特性曲線的變化,施加源漏電壓VD=0.2 V,可知,經過APTES修飾后的開態電流下降,這是因為在APTES分子中,氨基基團(NH2)具有一對孤立的電子,使其成為一個堿性基團。在水或其他極性溶劑中,氨基會與溶劑中的負離子發生相互作用,從而通過捐贈一個電子對來形成正電荷,這使得APTES具有帶正電的性質,電流的降低說明在IGZO表面發生了p型摻雜。而經過HLA-B27抗體修飾后,電流進一步降低,這是因為蛋白質分子上有氨基酸殘基,與IGZO表面的載流子相互作用,同時還會造成載流子的散射,從而降低了載流子的遷移和導電能力。

圖4 功能化修飾后IGZO TFT的轉移特性曲線 Fig.4 Transfer characteristics of IGZO TFT after functionalized

隨后測試了IGZO TFT對抗原的電流響應。將器件置于開啟狀態,施加柵壓在25～35 V的范圍,對傳感器進行了一系列質量濃度的HLA-B27抗原(1～100 ng/mL)的檢測,結果如圖5所示。抗體修飾的IGZO TFT生物傳感器在識別帶負電的質量濃度為1 pg/mL的HLA-B27抗原溶液后,電流下降了0.41 μA。隨著HLA-B27抗原質量濃度不斷增加,電流逐漸降低,說明IGZO TFT生物傳感器對HLA-B27具有有效識別和傳感特性。電流降低的原因是由于n型溝道表面結合蛋白后,由于蛋白質在PBS緩沖液中呈現電負性,會產生一個負柵壓,降低了IGZO薄膜表面的載流子質量濃度,隨著蛋白質量濃度的增高,負柵壓效應就會更大,因此電流降低會越明顯。電流的變化取決于蛋白在傳感器表面與抗體的結合數量,因此可以建立電流變化(ΔId/I0)與HLA-B27抗原質量濃度(cHLA-B27)之間的關系。圖6展示出了IGZO TFT生物傳感器ΔId/I0與cHLA-B27的線性曲線,傳感器的響應隨著被測物質量濃度的降低而逐漸減小,擬合得到的線性響應曲線為(擬合度R2=0.985)

ΔId/I0=0.302+0.019lg(cHLA-B27)

(2)

因此,根據傳感器的響應可以通過式(2)來定量計算得到HLA-B27抗原的質量濃度。

圖5 IGZO TFT對不同質量濃度HLA-B27溶液的電學響應Fig.5 Electrical response of IGZO TFT to different concentrations of HLA-B27 solutions

圖6 IGZO TFT生物傳感器電流變化與HLA-B27質量濃度的關系Fig.6 Relationship between current changes and HLA-B27 concentration in IGZO TFT biosensor

為了評估設計的IGZO TFT生物傳感器的特異性和選擇性,分別測試了HLA-B27抗體功能化修飾后的IGZO TFT生物傳感器對人體白細胞抗原HLA-B7、HLA-B13、HLA-B27、HLA-B40的響應。從圖7可以看出,對比高濃度的非特異性抗原和低濃度的特異性抗原,特異性抗原響應值約為非特異性抗原的6～7倍,說明HLA-B27抗體功能化修飾后的IGZO TFT生物傳感器對HLA-B27抗原具有優異的選擇性,能夠特異性識別抗原,從而進一步確保了生物傳感器在復雜環境中識別目標分子的能力。

圖7 IGZO TFT生物傳感器對低質量濃度特異性抗原和高質量濃度非特異性抗原的響應對比Fig.7 Comparison of IGZO TFT biosensor response to low concentration of specific antigen and high concentration of non-specific antigen

3 結 論

本文設計并制備了具有高遷移率和高開關比的IGZO TFT生物傳感器,并將其應用于強直性脊柱炎血清學分子標志物HLA-B27的檢測。實驗結果表明,制備的生物傳感器具有很高靈的靈敏度,能夠對目標分子特異性識別,對1 pg/mL至100 ng/mL范圍內的抗原均有良好的線性響應,檢測極限為1 pg/mL。利用晶體管作為生物標志物痕量檢測的裝置,具有高靈敏度和高特異性,提高了檢測效率,高性能的傳感器能夠進一步擴展為傳感器陣列,可以同時檢測多種目標分子,包括核酸、蛋白質、細胞等,能夠實現對某種疾病多種標志物的聯合檢測,在下一代即時檢測中具備了良好的應用前景,有望在便攜式床旁診斷設備中發揮巨大潛力。