結(jié)構(gòu)優(yōu)化的光尋址電位傳感器研究進(jìn)展

檀 杰，劉詩斌，羅杰璋，陳穎豪，杜永乾

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072）

1 引 言

近幾十年來，半導(dǎo)體技術(shù)的成熟促進(jìn)了生物化學(xué)測量領(lǐng)域的發(fā)展。與傳統(tǒng)的生化測量技術(shù)相比，基于半導(dǎo)體場效應(yīng)原理的電解質(zhì)-絕緣層-半 導(dǎo) 體（Electrolyte-Insulator-Semiconductor，EIS）結(jié)構(gòu)的電位型生化傳感器具有靈敏度高、成本低、尺寸小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點［1］，在藥物篩選，食品安全，環(huán)境監(jiān)測，臨床診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

離子敏感場效應(yīng)晶體管（Ion Sensitive Field Effect Transistor，ISFET）［2］作為最早提出的EIS生化傳感器，已被用于氣體、免疫、酶、細(xì)胞、微生物等諸多檢測領(lǐng)域且陣列式的ISFET［3-4］可以用于生化物質(zhì)的二維空間成像，但是ISFET的像素點數(shù)量和位置在制造時就已經(jīng)確定，無法輕易改變，這在某些無法事先確定像素位置和數(shù)量的生化反應(yīng)中不太有利，因此尋址靈活性較差。此外，隨著像素尺寸減小、數(shù)目增加勢必導(dǎo)致傳感器集成化的成本較高，且ISFET陣列每個敏感單元的源、漏極通常需要延長引出并封裝也增加了器件封裝的成本。為了研究ISFET的電化學(xué)和表面特性，制造過程和封裝更為簡單的EIS電容傳感器應(yīng)運而生，由于具有相同的EIS結(jié)構(gòu)，IS?FET能檢測的生化物質(zhì)EIS電容傳感器均能檢測，且其制備過程不需要橫向重?fù)诫s等復(fù)雜工藝，器件成本更為低廉。但是由于采用交流偏置電壓激勵的工作機制，EIS電容傳感器只能進(jìn)行單點測量，無法實現(xiàn)生化物質(zhì)的空間成像。1988年，Hafeman將EIS結(jié)構(gòu)和掃描光脈沖技術(shù)相結(jié)合，提出了光尋址電位傳感器（Light Addressable Potentiometric Sensor，LAPS）的概念［5］。LAPS除了具有ISFET和EIS電容傳感器的優(yōu)點外，不同之處在于采用外部光源照射半導(dǎo)體層，通過光電效應(yīng)激發(fā)光電流的方式提供檢測信號輸出。這種外部光源照射的激勵方式使得單個傳感器平臺不同測量位點的二維空間成像以及感興趣區(qū)域的局部可視化成為可能，亦可在單傳感器平臺上通過構(gòu)建不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多分析物測量和同一樣品中不同分析物的檢測，這種高度靈活的光尋址檢測能力賦予了LAPS在陣列檢測和高分辨生化成像上的無限可能。現(xiàn)階段已實現(xiàn)了金屬表面腐蝕的原位觀察［6］，生物代謝活動的實時監(jiān)測［7］，生化反應(yīng)擴散動力學(xué)的分析［8-9］，單細(xì)胞的無標(biāo)記檢測［10］，細(xì)胞表面電荷的成像［11］等。為拓展LAPS的研究領(lǐng)域，進(jìn)一步提高LAPS的檢測性能迫在眉睫。靈敏度、線性度、空間分辨率和測量速度是LAPS的四個重要性能指標(biāo)，但是受諸多因素如絕緣層中存在陷阱電荷、半導(dǎo)體層光電轉(zhuǎn)換效率低以及系統(tǒng)存在噪聲干擾、檢測信號串?dāng)_等的影響，制備高靈敏度、高線性度、高分辨率、穩(wěn)定性好、體積小、響應(yīng)速度快和工藝兼容的LAPS傳感器困難重重。需要在器件層面對LAPS的結(jié)構(gòu)即絕緣層和敏感層、半導(dǎo)體層、電極進(jìn)行優(yōu)化，研究絕緣層和敏感層、半導(dǎo)體層、電極制備工藝對LAPS性能的影響。

本文綜述了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的光尋址電位傳感器的研究進(jìn)展；簡要介紹了LAPS的原理；分析了對LAPS進(jìn)行結(jié)構(gòu)層面優(yōu)化所取得的進(jìn)展及其相關(guān)應(yīng)用；對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的光尋址電位傳感器研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)并對未來研究的突破點和關(guān)鍵點進(jìn)行了展望。為提高LAPS以及基于半導(dǎo)體場效應(yīng)原理的生物化學(xué)傳感器的精度、速度、穩(wěn)定性和空間分辨率提供了新的思路。

2 光尋址電位傳感器的原理

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

EIS型LAPS的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，其傳感器平臺依次由背面接觸電極、半導(dǎo)體、絕緣層組成，絕緣層上通過沉積特定的敏感膜來響應(yīng)電解液中不同的生化物質(zhì)，與ISFET和EIS電容傳感器的基本結(jié)構(gòu)類似；其核心為傳感器表面絕緣層上敏感膜與電解液相互作用引起的表面電位的變化響應(yīng)于電解液中分析物濃度的變化。其整個過程涉及半導(dǎo)體場效應(yīng)、表面光伏效應(yīng)、光電效應(yīng)等。當(dāng)在半導(dǎo)體的兩端施加反向偏置電壓時，在半導(dǎo)體層和絕緣層界面處會產(chǎn)生一定厚度的耗盡層，耗盡層的存在是LAPS實現(xiàn)光電流檢測的前提。當(dāng)用一束交流調(diào)制光照射半導(dǎo)體時，半導(dǎo)體吸收光子發(fā)生躍遷，產(chǎn)生光生電子-空穴對，電子-空穴對由于濃度梯度向耗盡層擴散。在積累區(qū)（截止區(qū)），幾乎所有生成的電子-空穴對在短時間擴散后都會重組；而在耗盡區(qū)（線性區(qū)）和反型區(qū)（飽和區(qū)），大部分電子-空穴對在擴散過程中發(fā)生復(fù)合，未復(fù)合的電子-空穴對以及在耗盡層產(chǎn)生的電子-空穴對在耗盡層內(nèi)電場作用下發(fā)生定向分離，電子和空穴被分別推向不同的方向從而產(chǎn)生與交流調(diào)制光同頻率的交流光電流。交流光電流的幅值和相位取決于耗盡層的厚度，而耗盡層厚度的大小受偏置電壓和表面電位疊加產(chǎn)生場效應(yīng)的影響。耗盡層厚度的增加使得光電流幅值增加，相位減小，反之亦然。因此，在偏置電壓已知的情況下，外部交流光電流的幅值和相位的測量包含了光照位置絕緣層表面電位的信息。如圖1（b），根據(jù)電解液中分析物濃度的不同，通過檢測交流光電流-偏置電壓特性曲線的偏移量并擬合濃度-偏置電壓標(biāo)定曲線，可知被照射區(qū)域表面電位的變化，從而得到濃度變化的信息。如圖1（c），當(dāng)光源以光柵掃描的方式照射半導(dǎo)體層的不同區(qū)域時，記錄對應(yīng)位置的輸出光電流信號，通過將光電流幅值映射成梯度顏色便可以空間分辨的方式讀出傳感器表面的分析物濃度，從而實現(xiàn)生化物質(zhì)的時空測量。LAPS的工作原理決定了它作為生化物質(zhì)高靈敏度、高分辨率、無害的定量檢測和可視化分析工具的重要地位。

圖1 LAPS的結(jié)構(gòu)與工作原理Fig.1 Structure and working principle of LAPS

2.2 測量系統(tǒng)

根據(jù)LAPS的工作原理，要想實現(xiàn)LAPS的高性能檢測，構(gòu)建基于LAPS的生化測量系統(tǒng)起到關(guān)鍵作用，這其中尤以光源和掃描機構(gòu)最為重要。傳統(tǒng)的LAPS生化測量系統(tǒng)采用以步進(jìn)電機為動力的精密機械機構(gòu)移動光源實現(xiàn)尋址［12-13］，但是受限于逐點掃描，此機械結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的體積較大，成像時間較長。此后，陣列光源如發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）點陣［14-20］、垂 直 腔 面 發(fā) 射 激 光 器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）陣列［21］被用做LAPS的激勵光源，其小型化和可同時點亮尋址的優(yōu)勢縮短了檢測點之間步進(jìn)的時間，使得LAPS的成像速度得以提升。但是LED發(fā)散角較大，照射在敏感區(qū)域不同位置的光強會有較大變化，從而影響了LAPS的光電流輸出。為了給LAPS配置一個簡單、靈活、高密度、可編程的光源，液 晶 顯 示 器（Liquid Crystal Display，LCD）［22］、商用微型投影儀［23-24］、有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）［25］、數(shù)字光處理（Digital Light Processing，DLP）技術(shù)［26-27］被相繼用在LAPS化學(xué)成像系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)不僅尋址光斑的大小、形狀、顏色、運動和調(diào)制頻率靈活多變，而且在兼顧小體積的同時實現(xiàn)了靈活快速成像與高分辨細(xì)節(jié)成像的有機結(jié)合。但是低刷新率使得這些成像系統(tǒng)的光源調(diào)制頻率最高不超過720 Hz，這限制了成像速度的進(jìn)一步優(yōu)化。Werner等針對OLED刷新率低的問題開發(fā)了一種新的驅(qū)動方法，從而將LAPS的成像時間縮短至原來的四十分之一［28］。雖然使用陣列光源或可編程光源可實現(xiàn)微型化并提高LAPS測量系統(tǒng)的速度，但是這兩類測量系統(tǒng)都有可尋址像素點數(shù)量相當(dāng)有限的缺點，而高分辨率的多像素點成像在微觀化的生化測量領(lǐng)域極其重要。2014年，Das等 使 用模 擬 微 鏡作 為LAPS的光 尋址裝置發(fā)展了如圖2所示的化學(xué)成像系統(tǒng)，它不僅具有靈活的光斑位置，可調(diào)節(jié)的步進(jìn)距離以及方向，還具有20 kHz的高調(diào)制頻率，可以在40 s內(nèi)獲得20萬像素的高分辨率圖像以及實現(xiàn)16幀/秒的動態(tài)pH分布的觀測［29］。這種超高速的化學(xué)成像系統(tǒng)提供了局部感興趣區(qū)域靈活地放大測量，可以更高分辨率實現(xiàn)LAPS絕緣層表面細(xì)節(jié)的可視化觀察［30-31］。

圖2 基于模擬微鏡的超高速化學(xué)成像系統(tǒng)裝置圖［29］Fig.2 Setup picture of ultra-high speed chemical imaging system based on analog micromirror［29］

2.3 測量模式

2.3.1交流光電流-偏置電壓曲線測量模式

為了減少電解液電導(dǎo)率對LAPS測量結(jié)果的影響，傳統(tǒng)的測量模式通常需要對光電流信號進(jìn)行歸一化處理，繪制歸一化交流光電流-偏置電壓（I-V）特性曲線圖，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測量。I-V曲線測量模式是目前比較精確的測量方法，需要在每個像素點獲得I-V曲線，將每個像素點得到的I-V曲線中光電流數(shù)據(jù)除以光電流的最大值獲得歸一化I-V曲線，然后求其二階導(dǎo)數(shù)為零的點，進(jìn)而確定曲線隨電解液中分析物濃度變化的位移量［32-33］，這種方法同時也考慮了I-V曲線的絕對值波動。由此看出，I-V曲線拐點位置的精度對于檢測靈敏度和線性度至關(guān)重要。基于頻域分量均方根和卡爾曼濾波的兩步信號處理方法［34］以及基于小波變換的去噪方法［35］被相繼用于對LAPS信號進(jìn)行濾波優(yōu)化拐點位置。以上依賴于拐點精度的I-V曲線測量模式均需要逐點測量每個像素點的I-V曲線，耗時長測量速度低。最近，一種基于面積計算的LAPS信號處理方法被提出，它以I-V曲線下方的面積為變量，替換位移差為面積差從而大大縮短了測量時間［36］。

2.3.2固定偏置電壓模式

由于從交流光電流-偏置電壓特性曲線的橫向偏移中找出沿著敏感膜的二維平面的靈敏度和線性度的空間變化是一個耗時的過程［30］。因此在固定偏置電壓的LAPS測量模式下，工作電壓的選擇通常為交流光電流-偏置電壓特性曲線線性區(qū)拐點位置附近的偏置電壓，通過測試不同濃度分析物的電解液，記錄下相應(yīng)的光電流幅值變化大小，再依據(jù)線性區(qū)斜率轉(zhuǎn)換為電位的變化，從而可根據(jù)能斯特靈敏度計算出電解液中分析物濃度的變化。需要注意的是，該方法本質(zhì)上是電位法，因此沒有直流電流流過絕緣層。在實際應(yīng)用中，是一種更快且相對簡單的測量方法，已經(jīng)被用于pH以及化學(xué)物質(zhì)的成像。然而，由于線性區(qū)大小的限制，當(dāng)分析物濃度變化太大時，記錄的光電流就會飽和，從而使得這種方法的測量精度降低。此外線性區(qū)的非線性和pH/濃度-偏置電壓標(biāo)定曲線計算的靈敏度誤差和線性度誤差也會極大地影響LAPS空間分辨率以及圖像的質(zhì)量。

2.3.3固定電流模式

為了避免I-V特性曲線線性區(qū)的非線性誤差，提高pH或者分析物濃度的檢測范圍，Yoshi?nobu等提出了固定電流的LAPS測量模式，在這種模式下，測量前預(yù)先測試LAPS的I-V曲線存儲在電腦中，輸出光電流的固定值通常選擇在最大值的一半左右［37］。隨著pH或者分析物濃度的變化，I-V曲線發(fā)生偏移，反饋軟件檢測光電流的輸出，通過提前存儲的I-V曲線確定要施加的偏置電壓值，從而使得光電流的幅值保持在固定值。因此外部偏置電壓被記錄為時間的函數(shù)，它代表了分析物濃度隨時間的變化。與固定偏置電壓模式不同的是，曲線偏移造成偏置電壓較大的變化都能被跟蹤。

2.3.4電位追蹤模式

為實現(xiàn)在不犧牲測量時間的前提下提高測量結(jié)果準(zhǔn)確性的目的，Miyamoto等提出了電位追蹤的LAPS測量模式［38］。在這種模式下，記錄每個像素點位置在多個偏置電壓下獲得的一系列交流光電流圖，根據(jù)logistic模型重建所有像素點的I-V曲線，并計算水平位移。這種模式下偏置電壓在整個過程中只掃描一次，大大縮短了測量時間，并且能夠測量更大的分析物濃度變化，對電解液阻抗變化引起的I-V曲線高度的變化具有魯棒性。但是這個模式在每次偏置電壓更新時，都需要一段穩(wěn)定時間來充電，并且在數(shù)據(jù)處理過程中需要額外的曲線擬合步驟，這限制了此模式在LAPS生化測量領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

2.3.5相位模式

除了電解液的電導(dǎo)率，LAPS的光電流幅值還會受到半導(dǎo)體層質(zhì)量優(yōu)劣以及調(diào)制光源光強波動的影響［39］。并且在阻抗和表面電位同時變化的復(fù)雜系統(tǒng)中，由于局部阻抗變化引起的最大光電流的變化也會改變對應(yīng)于表面特定電荷狀態(tài)的光電流，因此通過空間分辨的方式記錄光電流圖像變得更加復(fù)雜［40］。在這些情況下，Miya?moto等提出了相位模式的LAPS測量方式，其測量的是交流光電流的相位而不是振幅，以檢測半導(dǎo)體內(nèi)部阻抗角的變化［41］。這種模式檢測交流光電流和調(diào)制信號的相位差，其相位-偏置電壓曲線響應(yīng)于分析物濃度的變化，并且該相位與局部阻抗的變化無關(guān)，不會受到光強波動和半導(dǎo)體層不均勻的影響，這有助于改善化學(xué)圖像的均勻性。他們還將相位模式與恒定電流模式的優(yōu)點相結(jié)合，研制了一種恒定相位模式的LAPS［42］。與恒定電流模式相比，相位模式和恒定相位模式的LAPS對光強度變化不敏感，LAPS所讀出的圖像中環(huán)形條紋狀陰影也有所改善。相位模式的LAPS測量方式可能受相位-偏置電壓曲線線性區(qū)的斜率誤差影響，并且要精確測量幅度很小且?guī)в泻艽笤肼暤墓怆娏餍盘柕南辔挥幸欢y度。

2.3.6掃描光誘導(dǎo)阻抗顯微鏡模式

研究嵌段聚合物、聚合物在溶液中的局部溶脹行為以及生物材料多相的表征，需要一種電化學(xué)和固態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜阻抗成像的新技術(shù)，Krause等在2002年提出了基于SPIM的具有良好空間分辨率的光電流測量成像技術(shù)［43］，其原理是當(dāng)LAPS處于飽和區(qū)時，測量得到的最大光電流與LAPS的絕緣層表面電位無關(guān)，而取決于絕緣層或與絕緣層接觸的溶液的局部阻抗，當(dāng)絕緣層表面吸附了分子、材料以及活細(xì)胞引起局部阻抗增加時，通過光照激活LAPS特定位置的光電流便減少，這種測量模式被稱為掃描光誘導(dǎo)阻抗顯微鏡（Scanning Photoinduced Impedance Microsco?py，SPIM）的LAPS測量方式。使用醋酸纖維素作為模型系統(tǒng)的SPIM可以定量地測量頻率范圍從10 Hz到10 kHz的復(fù)雜電阻抗，阻抗數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)交流阻抗譜獲得的數(shù)據(jù)很好地吻合［44］。以非晶硅為半 導(dǎo)體層的P-I-N結(jié)構(gòu)（α-Si：H P-I-N/SiO2）也以相同的方式被用于局部阻抗測量，從而得到了阻抗圖［45］。聚合物薄膜降解的觀測［46］，微膠囊［47］，酵母細(xì)胞［48］，自組裝單分子膜［49］，大鼠腎細(xì)胞［50］修飾的絕緣層表面局部阻抗變化可以通過SPIM成像的方式得到。綜上，當(dāng)施加與IV曲線飽和區(qū)相對應(yīng)的偏置電壓的同時記錄光電流，可以用來生成表面阻抗的圖像。

2.3.7差分模式

以上測量模式均基于傳統(tǒng)的單片LAPS，外電路采集到的光電流信號包含較多的基信號分量、低頻分量、漂移分量和背景噪聲，嚴(yán)重影響了傳感器的檢測靈敏度。這種限制在測定DNA-抗體解離常數(shù)，記錄神經(jīng)元電活動以及響應(yīng)胞外瞬態(tài)電位的需要提取微弱信號的應(yīng)用中尤為明顯。1992年，差 分LAPS的測量模式被Bousse等 首 先提出，他將兩個Si3N4/SiO2/Si結(jié)構(gòu)的LAPS芯片和兩個LED光源結(jié)合，記錄二者的差分電位隨時間變化的曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)提取可同時實現(xiàn)表面電位和zeta電位的檢測，這為解釋傳感器的漂移和遲滯效應(yīng)提供了充分的額外信息［51］。通過使用兩個不同類型的硅基底結(jié)構(gòu)LAPS組成差分LAPS，并借助比較器獲得差分LAPS的信號輸出，Adami加速了數(shù)據(jù)處理步驟［52］。此外，基分量抵消技術(shù)也被用于差分LAPS測量，將物質(zhì)檢測靈敏度提高了兩個數(shù)量級［53］。反相調(diào)制的兩個光源用于差分LAPS實現(xiàn)了快速、高靈敏度地pH測量，避免了昂貴的恒電位器、鎖定放大器等設(shè)備的使用［54］。為了抑制額外介質(zhì)pH變化和傳感器漂移效應(yīng)對于測定的影響，差分LAPS也被用于尿素濃度標(biāo)定［55］，大腸桿菌測定［56］以及乳酸菌［57］和谷氨酸棒狀桿菌［58］的代謝活動監(jiān)測。

3 光尋址電位傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其應(yīng)用

3.1 絕緣層的優(yōu)化

LAPS與電解液接觸的絕緣層同時也是敏感層，由于絕緣層的存在，LAPS的外圍電路采集的是交流光電流，這保證了耗盡層充放電的變化能被LAPS所提取。Doghish指出I-V特性曲線的陡度決定了LAPS的靈敏度，而靈敏度又取決于許多參數(shù)，如界面態(tài)的密度、絕緣層的厚度、半導(dǎo)體的摻雜水平等［59］。與此同時，Sartore等人利用計算機輔助仿真分析的方法，對LAPS傳感器進(jìn)行了優(yōu)化研究［60］，同樣印證了此結(jié)論，并指出要獲得大斜率必須優(yōu)化絕緣層的結(jié)構(gòu)，其中最重要的是在氧化層中不存在陷阱電荷。根據(jù)位點結(jié)合模型以及改進(jìn)的位點解離/位點結(jié)合模型，LAPS的靈敏度和線性度取決于絕緣層表面的位點數(shù)量，高密度的結(jié)合位點使得LAPS的靈敏度和線性度提高。Sch?ning利用氫氟酸和乙醇混合的陽極氧化法制備了多孔硅半導(dǎo)體層繼而沉積SiO2和Si3N4構(gòu)成LAPS器件，由于增大了敏感膜的比表面積，在pH測試中取得了57.3 mV/pH的靈敏度，接近理論能斯特斜率［61］。如圖3（a）所示，對孔徑進(jìn)行優(yōu)化之后，多孔LAPS的孔徑達(dá)到3μm，孔深為5μm。由于感測面積的進(jìn)一步增大，LAPS獲得了59 mV/pH的高靈敏度，這是通過擬合圖3（b）所示的pH-電位曲線計算得出的；此外，LAPS在一年的監(jiān)測時間內(nèi)靈敏度沒有降低證明了其高穩(wěn)定性，結(jié)果如圖3（c）所示［62］。實驗證明此類通過優(yōu)化絕緣層的LAPS具有800 nF的較大電容，分別是平面硅和結(jié)構(gòu)硅的30倍和20倍，有利于LAPS的微型化［63］。

Li等通過HCl中的陽極氧化在藍(lán)寶石上硅（Silicon On Sapphire，SOS）基底上生長了7 nm的氧化物作為LAPS的絕緣層，并與有70 nm厚熱氧化絕緣層的LAPS進(jìn)行對比，其高頻電容-電壓曲線和光電流-電壓曲線分別如圖4（a）和4（b）所示。雖然二者均具備小于1 nA的低漏電流的必要條件，但是具有陽極氧化絕緣層的LAPS的高頻電容-電壓曲線和光電流-電壓曲線的斜率更陡峭，表明陽極氧化層作為LAPS的絕緣層質(zhì)量更高，可以用于高靈敏度測量［64］。

圖3 多孔LAPS的絕緣層優(yōu)化［62］Fig.3 Optimization of LAPS with porous insulator［62］

圖4 陽極氧化絕緣層LAPS和熱氧化絕緣層LAPS對比［64］Fig.4 Comparison of LAPS with anodic oxidized insula?tor and LAPS with thermal oxidized insulator［64］

圖5 采用十一烯酸修飾的不同厚度的藍(lán)寶石上硅的光刻膠涂層邊沿掃描的歸一化光電流曲線［65-66］Fig.5 Normalized photocurrent line scan curves across SU-8 edge using SOS substrate with undecylenic acid grafted onto silicon layers with different thickness［65-66］

Wang等將LAPS的傳統(tǒng)絕緣層替換為無氧化物的自組裝有機單層膜，這類超薄絕緣層具有低阻抗和低界面態(tài)密度，圖5證明經(jīng)十一烯酸修飾的薄層硅的光刻膠未涂層區(qū)和涂層區(qū)的光電流比為12，相較于文獻(xiàn)［64］提到的有陽極氧化物絕緣層的LAPS，光電流對比度提高了4倍，這進(jìn)一步提高了LAPS和SPIM的測量靈敏度［65-66］。

表1總結(jié)了在LAPS絕緣層優(yōu)化方面的重要研究成果。

表1 LAPS絕緣層優(yōu)化方面的重要研究成果Tab.1 Important research results of LAPS in insulator optimization

3.2 半導(dǎo)體層的優(yōu)化

根據(jù)LAPS的理論計算，優(yōu)化LAPS的半導(dǎo)體層參數(shù)如摻雜濃度、光電轉(zhuǎn)換效率、厚度、少數(shù)載流子擴散長度等均能提高LAPS的檢測性能［67-69］。由于與傳統(tǒng)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工藝兼容，硅基LAPS成為研究最廣泛的LAPS器件。Parce等人對LAPS的硅基底進(jìn)行局部減薄刻蝕出小井，并填入培養(yǎng)細(xì)胞，用LED掃描相應(yīng)的小井，依據(jù)外電路測得光電流信號計算pH來判斷細(xì)胞的新陳代謝［70］。美國分子器件公司利用這一原理推出了基于LAPS的細(xì)胞微生理計，可用于測量細(xì)胞的代謝率和外環(huán)境的酸化率［71］，使得LAPS走向市場化。Nakao等將硅基底從300μm減薄到100μm使得LAPS的空間分辨率從500μm提高到200μm，進(jìn)一步將基底減薄到20μm得到了10μm的超高分辨率，并且通過數(shù)字采樣成功實現(xiàn)了128×128像素的大 腸 桿 菌 的pH成 像 分 布［72］。Chen等 比 較 了 具有不同厚度的商業(yè)P型硅作為LAPS的半導(dǎo)體層的光電流大小和頻率依賴性，發(fā)現(xiàn)薄硅可以在高頻率下獲得較高的光電流［73］。Zeng等使用KOH的各向異性濕法刻蝕和深反應(yīng)離子蝕刻來減薄硅實現(xiàn)了可接受信噪比的高光電流，從而進(jìn)一步實現(xiàn)了高分辨率的LAPS二維化學(xué)成像［74-76］。采用相同的基底局部減薄工藝制備的LAPS器件也被用于高分辨地觀察細(xì)胞代謝活動中細(xì)胞數(shù)的差異和酸化［31，77］。此外，陳東等將紫外光刻技術(shù)和四甲基氫氧化銨（Tetramethylammonium Hydroxide，TMAH）的濕法刻蝕工藝相結(jié)合制備了具有微盲孔基底的LAPS器件，這類傳感器由于在兼顧機械強度的同時具備良好的陷光效應(yīng)從而顯著提高了靈敏度、線性度和信噪比［78］。同樣地，該工藝制備的多井LAPS也被用作化學(xué)成像［79］、多分析物測量［80］以及新陳代謝過程中大腸桿菌菌落酸化過程的可視化［81］。如圖6，Yang等應(yīng)用了先進(jìn)的電感耦合等離子體蝕刻（Induc?tively Coupled Plasma-Reactive-Ion Etching，ICP-RIE）實現(xiàn)了106μm的減薄硅，在1 kHz和50 kHz的光源調(diào)制頻率下分別實現(xiàn)了光電流增加3倍和6.5倍，結(jié)果如圖6（a）所示。當(dāng)設(shè)置不同的步進(jìn)距離時，掃描250μm圖案的差分光電流-位置曲線如圖6（b）所示，其最大和最小差分光電流值的橫向距離與圖案物理維度之間的差值最小為5μm，顯示了超高空間分辨率［82］。

厚單晶硅的少數(shù)載流子擴散長度在幾百微米，雖然通過減薄基底減少了少子擴散長度，實現(xiàn)了LAPS性能的提升，但同時也增加了成本。非晶硅［83-84］，砷化鎵［85］，氮化鎵［86］，銦鎵鋅氧化物（Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO）［87］，SnOx［88］等直接帶隙半導(dǎo)體材料由于具有較小的少子擴散長度已被開發(fā)作為LAPS的薄膜半導(dǎo)體層用于微米級高空間分辨率的二維化學(xué)成像。隨后，Krause首次提出以InGaN/GaN薄膜作為LAPS的基底，該薄膜在生長過程中較好地形成了由SOS/GaN界面上的位錯產(chǎn)生的倒六角形金字塔組成的“v”坑。如圖7（a）所示為聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，PMMA）點涂敷在InGaN上的交流光電流圖像，圖中紅色箭頭所指位置的線掃描一階導(dǎo)數(shù)如圖7（b）所示，其半峰全寬的計算結(jié)果為7μm，表明InGaN/GaN薄膜用于LAPS的半導(dǎo)體具有較好的化學(xué)成像性能［89］。

圖6 電感耦合等離子體刻蝕減薄硅LAPS的性能測試［82］Fig.6 Performance test of LAPS fabricated by ICPRIE［82］

圖7 InGaN/GaN薄膜作為LAPS的半導(dǎo)體層的化學(xué)成像和空間分辨率［89］Fig.7 Chemical image and spatial resolution of LAPS using InGaN/GaN as a semiconductor layer［89］

表2和表3分別總結(jié)了硅基LAPS和非硅基LAPS半導(dǎo)體層優(yōu)化方面的重要研究成果。

表2 硅基LAPS半導(dǎo)體層優(yōu)化方面的重要研究成果Tab.2 Important research results of optimization of LAPS using silicon as the semiconductor layer

表3 非硅基LAPS半導(dǎo)體層優(yōu)化方面的重要研究成果Tab.3 Important research results of optimization of LAPS using non-silicon as the semiconductor layer

3.3 電極的優(yōu)化

實現(xiàn)LAPS的局部響應(yīng)和空間尋址功能依賴于施加在參比電極和工作電極之間的直流偏置電壓和與工作電極相連的輸出光電流，因此對于LAPS電極的研究與優(yōu)化十分必要。LAPS的電極通常由參比電極、工作電極與對電極這種三電極系統(tǒng)組成［90］。Poghossian等分析了未光照區(qū)和光照區(qū)電容耦合對于LAPS檢測結(jié)果造成串?dāng)_的影響并提出了擴展等效電路模型，同時證明使用具有低阻抗的參比電極或應(yīng)用三電極配置可以減小LAPS各個檢測點之間的 串 擾，從 而 提 高LAPS的 尋 址 能 力［91］。而 三電極系統(tǒng)往往需要恒電位儀，Miyamoto等提出通過旁路電容抵消參比電極的內(nèi)阻，從而提高了LAPS在小pH變 化時的 檢測能 力［92］。由3.2所述，絕緣襯底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）晶片制成的超薄硅基底提高了LAPS的成像性能，但是其不能制備背面接觸的工作電極，必須使用橫向摻雜。而沒有背面接觸降低了LAPS的空間分辨率，這也在仿真中得到證實［93］。背面工作電極的接觸類型有肖特基接觸和歐姆接觸。低摻雜的硅基底直接和金屬工作電極接觸稱作歐姆接觸，這種接觸方式會形成一個主要針對少子的強勢壘，因而作為少子的光生載流子很難通過這個勢壘到達(dá)金屬工作電極，除非對硅基底進(jìn)行重?fù)诫s以降低對少子的勢壘；而肖特基接觸則不會形成這樣的勢壘，少子很容易從硅基底中擴散到金屬工作電極上，這種接觸方式提高了LAPS的空間分辨率［94］。不管歐姆接觸還是肖特基接觸，LAPS工作電極的接觸多在基底背面的邊沿形成，遠(yuǎn)離光照位置，這無疑會降低LAPS的空間分辨率。因此陳東等人結(jié)合紫外光刻和磁控濺射技術(shù)制備了具有網(wǎng)狀電極陣列結(jié)構(gòu)的LAPS，其中網(wǎng)格大小為300μm×300μm，金屬線寬為100μm。尋址所用的光斑大小為300 μm，步進(jìn)距離為400μm，這樣使得光斑恰好照射在網(wǎng)孔區(qū)域，且周圍被金屬電極所包圍。實驗測試和silvaco仿真結(jié)果顯示，具有網(wǎng)狀電極陣列的LAPS傳感器光生載流子的擴散更集中于垂直方向且輸出光電流信號更穩(wěn)定［80］，但是其制備的微結(jié)構(gòu)受限于紫外光的光學(xué)衍射極限。

為了獲得穩(wěn)定性、檢測精度、成像能力更好的LAPS器件，我們開發(fā)了一種醇輔助的界面制備法用于實現(xiàn)微米級結(jié)構(gòu)LAPS的制備。通過將聚苯乙烯（Polystyrene，PS）膠體球自組裝所形成的低成本、大面積、良好有序的PS膠體單層膜作為光刻掩模制備了背面具有蜂巢網(wǎng)狀陣列的LAPS。分析各個尋址位置輸出光電流的幅值曲線發(fā)現(xiàn)蜂巢網(wǎng)狀陣列的存在有效抑制了檢測點之間的信號串?dāng)_，穩(wěn)定了各檢測位置的輸出光電流，降低了平帶電壓在平面內(nèi)的分布誤差［95］。在此基礎(chǔ)上，我們對比了具有蜂巢網(wǎng)狀工作電極的LAPS和具有平坦工作電極的傳統(tǒng)LAPS的化學(xué)圖像，結(jié)果如圖8（a）~（d）所示。通過計算“P”字母尾部線掃描歸一化光電流最大值的60%到40%的橫向距離可以得到空間分辨率，圖8（e）~（h）為對應(yīng)計算結(jié)果。結(jié)果表明三種微米級蜂巢網(wǎng)狀工作電極用于LAPS均能提高其空間分辨率，優(yōu)化的空間分辨率最大可達(dá)具有平坦工作電極的傳統(tǒng)LAPS空間分辨率的二分之一。二者在不同尺寸的聚焦光斑照亮下的空間分辨率也被進(jìn)行了比較，結(jié)果表明在小光斑的照射下具有蜂巢網(wǎng)狀工作電極的LAPS的空間分辨率更高。我們進(jìn)一步分析了具有蜂巢網(wǎng)狀工作電極的LAPS提高的空間分辨率的機理并闡述了三種解釋［96］。

表4總結(jié)了LAPS在電極優(yōu)化上所做出的重要研究成果。

表4 LAPS在電極優(yōu)化方面的重要研究成果Tab.4 Important research results of LAPS in electrodes optimization

3.4 新的電解質(zhì)-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

最近，一種新的光電化學(xué)成像系統(tǒng)被提出，它將傳統(tǒng)的EIS-LAPS改進(jìn)為電解質(zhì)-半導(dǎo)體（Electrolyte-Semiconductor，ES）LAPS，直 接 接觸電解液的半導(dǎo)體同時也是敏感膜。Zhang等以低成本，魯棒的商用氧化銦錫（Indium Tin Ox?ide，ITO）涂層玻璃作為LAPS檢測平臺，在405 nm的激光照射下實現(xiàn)了70 mV/pH的靈敏度和2.3μm的空間分辨率［97］，結(jié)果分別如圖9（a）和（b）所示。由于只有ITO一層結(jié)構(gòu)，LAPS的成本大幅降低。這種簡單、低成本的方案已經(jīng)被用于味覺傳感［98］和單細(xì)胞表面電荷的成像［11］。

圖9 ITO基的ES結(jié)構(gòu)LAPS的性能測試［97］Fig.9 Performance test of ES-LAPS using ITO as the semiconductor layer［97］

緊接著，碳點作為半導(dǎo)體層的光電化學(xué)成像系統(tǒng)被提出，與傳統(tǒng)的EIS結(jié)構(gòu)LAPS相比，碳點改性的交流光電流成像的橫向分辨率僅受光點質(zhì)量限制，可用于細(xì)胞表面吸附區(qū)域中的電化學(xué)成像，這是其他電化學(xué)或電生理學(xué)技術(shù)無法做到的［99］。良好均勻生長的一維氧化鋅納米棒直徑小于光照波長，將其作為LAPS的半導(dǎo)體層和敏感膜，具有高達(dá)3μm的空間分辨率，通過監(jiān)測帶有酶α-胰凝乳蛋白酶的聚（酯酰胺）薄膜的降解，證明了該系統(tǒng)適用于生物分析和生物成像［100］。最近，Zhou等將赤鐵礦薄膜作為ES結(jié)構(gòu)的LAPS的半導(dǎo)體層，該系統(tǒng)以8幀每秒的幀率成功實現(xiàn)了多細(xì)胞在非離子活性劑TX-100條件下滲透情況的化學(xué)圖像監(jiān)測，有助于研究在不同刺激下具有統(tǒng)計學(xué)意義的細(xì)胞反應(yīng)［101］。圖10為在S-HEPES緩沖液中B50細(xì)胞暴露于0.01%濃度的TX-100的延時光電流圖像，圖像中包含了在TX-100的影響下與細(xì)胞膜通透性和細(xì)胞附著相關(guān)的細(xì)胞活性變化的信息，而這些變化無法通過熒光圖像所捕捉。

圖10 在S-HEPES緩沖液中B50細(xì)胞暴露于0.01%濃度的TX-100的延時光電流圖像［101］Fig.10 Time-lapse photocurrent images of B50 cells exposed to 0.01% TX-100 in S-HEPES buffer［101］

表5總結(jié)了現(xiàn)階段新的ES結(jié)構(gòu)LAPS的重 要研究成果。

表5 ES-LAPS的重要研究成果Tab.5 Important research results of ES-LAPS

4 結(jié)束語

隨著LAPS生化測量系統(tǒng)的快速發(fā)展和多種測量模式的出現(xiàn)，LAPS對于微弱、微觀生化物質(zhì)甚至是單細(xì)胞的無標(biāo)記檢測和可視化成像取得了突破性的進(jìn)展。而傳統(tǒng)的未修飾LAPS器件由于結(jié)構(gòu)所限，傳感器的檢測性能無法進(jìn)一步提高。近些年，研究者對LAPS在結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行了許多優(yōu)化，本文總結(jié)當(dāng)前結(jié)構(gòu)優(yōu)化的LAPS研究進(jìn)展并對未來研究的突破點和關(guān)鍵點做了展望：

（1）陽極氧化法制備的多孔絕緣結(jié)構(gòu)以及自組裝有機單層膜作為LAPS的超薄絕緣層，可以增大傳感器的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性，并實現(xiàn)LAPS的微型化。

（2）通過KOH的各向異性濕法刻蝕、深反應(yīng)離子蝕刻、TMAH的濕法刻蝕、電感耦合等離子體蝕刻等刻蝕工藝對LAPS的硅基底進(jìn)行局部減薄，以及使用非晶硅、砷化鎵、氮化鎵、IGZO、SnOx、InGaN/GaN等一些少數(shù)載流子擴散長度短的材料作為LAPS的半導(dǎo)體層可以提高LAPS的空間分辨率、測量速度和信噪比。

（3）LAPS電極的使用最好配備三電極，從而可以減小LAPS各個檢測點之間的串?dāng)_，提高LAPS的尋址能力；此外參比電極要具有低阻抗，或者用旁路電容來抵消參比電極的內(nèi)阻；工作電極使用背面接觸，接觸類型為肖特基接觸。為了降低平帶電壓在平面內(nèi)的分布誤差并提高空間分辨率，接觸結(jié)構(gòu)使用微米級的蜂巢網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形式。

（4）最近以商用ITO玻璃、碳點、一維氧化鋅納米棒、赤鐵礦薄膜作為LAPS半導(dǎo)體層的ES結(jié)構(gòu)被提出，無絕緣層的LAPS平臺不僅響應(yīng)帶電荷和阻抗樣品的靈敏度增加，而且還可以記錄樣品表面的氧化還原過程。此外，由于缺少絕緣