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(tǒng)性炎癥性關節(jié)病,主要影響脊柱和骨盆區(qū)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(fā)展,可能導致持續(xù)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(jié)、眼睛和心血管系統(tǒng)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(huán)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(jiān)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(xiàn)、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(jié)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(tǒng)異常和HLA-B27基因的相關性是該疾病發(fā)生的重要因素[4-5]。HLA-B27基因陽性與AS的發(fā)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(lián)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(jié)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(yōu)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(shù)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(zhàn)。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(yōu)勢受到了學術界和工業(yè)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(tǒng)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(shù)具有可區(qū)分敏感性的優(yōu)勢,IGZO TFT在神經(jīng)形態(tài)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(nèi)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(zhì)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(xiàn)對某種疾病多種標志物的聯(lián)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(yōu)異的半導體性質(zhì),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(fā)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(qū)域暴露出來以便后續(xù)的修飾過程。

1.2 功能化修飾

將暴露出的傳感區(qū)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(zhì)進行了探究,采用半導體器件測試系統(tǒng)(Keithly 4155)表征傳感器的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線。

2 結(jié)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(tài),如圖2(a)所示。可以看出,薄膜未表現(xiàn)出尖銳的晶態(tài)峰,只有散射峰存在,說明薄膜的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致,利用磁控濺射制備的IGZO薄膜呈現(xiàn)非晶態(tài),這是因為在室溫狀態(tài)下,O原子不足以與In、Ga、Zn原子形成晶體結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)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(zhì)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(zhì),其中的C元素為XPS圖譜定標時所用,結(jié)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(nèi)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(jié)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(nèi)部的氧空位含量大幅度降低,退火能夠有效消除薄膜的內(nèi)部缺陷,改善薄膜質(zhì)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(wěn)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(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,結(jié)果如圖3(a)、3(b)所示,圖中Ig為柵漏電流。從轉(zhuǎn)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(zhì)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(xiàn)象。為了評價器件性能的優(yōu)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(tài)交換容量亞閾值擺幅S=0.71 V。這說明制備的IGZO TFT具有優(yōu)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(zhuǎn)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(jié)果表明,IGZO TFT具有優(yōu)異的場效應特性和均一性。器件的偏壓穩(wěn)定性結(jié)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(tài)捕獲電荷以及電荷進入柵絕緣層。在正偏壓下,陷阱態(tài)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移特性曲線的變化,施加源漏電壓VD=0.2 V,可知,經(jīng)過APTES修飾后的開態(tài)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(fā)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(zhì),電流的降低說明在IGZO表面發(fā)生了p型摻雜。而經(jīng)過HLA-B27抗體修飾后,電流進一步降低,這是因為蛋白質(zhì)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(zhuǎn)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(tài),施加柵壓在25～35 V的范圍,對傳感器進行了一系列質(zhì)量濃度的HLA-B27抗原(1～100 ng/mL)的檢測,結(jié)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(zhì)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(zhì)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(jié)合蛋白后,由于蛋白質(zhì)在PBS緩沖液中呈現(xiàn)電負性,會產(chǎn)生一個負柵壓,降低了IGZO薄膜表面的載流子質(zhì)量濃度,隨著蛋白質(zhì)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(jié)合數(shù)量,因此可以建立電流變化(ΔId/I0)與HLA-B27抗原質(zhì)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(zhì)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(jù)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(zhì)量濃度。

圖5 IGZO TFT對不同質(zhì)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(zhì)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(yōu)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(huán)境中識別目標分子的能力。

圖7 IGZO TFT生物傳感器對低質(zhì)量濃度特異性抗原和高質(zhì)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(jié) 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(jié)果表明,制備的生物傳感器具有很高靈的靈敏度,能夠?qū)δ繕朔肿犹禺愋宰R別,對1 pg/mL至100 ng/mL范圍內(nèi)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(zhì)、細胞等,能夠?qū)崿F(xiàn)對某種疾病多種標志物的聯(lián)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(fā)揮巨大潛力。