蛋白質、核酸、病毒等物質的高靈敏度定量檢測在疾病診斷、醫學研究中起到重要作用。硅納米線場效應管（SiNWs-FET）生物傳感器有望在蛋白質和其它分子的非標記、快速實時響應、超高靈敏檢測中成為極有價值的方法之一。本文介紹了硅納米線場效應管生物傳感器的工作原理并總結其在醫學中的應用進展，討論了提高硅納米線生物傳感器靈敏度的方法及目前所面臨的挑戰，并展望了硅納米線場效應管生物傳感器的發展前景。
引用本文： 包增濤, 王彤. 硅納米線場效應管生物傳感器的醫學應用. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(5): 807-811. doi: 10.7507/1001-5515.201701012 復制
引言
醫學研究和疾病診斷需要利用傳感器對生物分子如蛋白質、核酸等進行檢測。在設計和制作傳感器的過程中需考慮高靈敏度、高特異性、高通量、快速實時響應等特點[1]，而硅納米線場效應管（silicon nanowires field-effect transistor, SiNWs-FET）生物傳感器具有上述優點。硅納米線生物傳感器的核心結構硅納米線可由半導體材料如硅、ZnO、SnO2、TiO2 等加工而成[2-6]。在這些半導體材料中，硅納米線的直徑能夠達到與蛋白質、核酸分子相近的納米尺寸，具有很高的電子或空穴密度，并且具有非常高的比表面積、穩定的化學特性，同時能與半導體加工工藝兼容[2-3, 7-9]。這些特性使其能夠用于超高靈敏度、快速實時檢測和免標記等高性能生物傳感器的研究，并且具有大規模生產的潛能。
本文首先介紹硅納米線場效應管生物傳感器的工作原理，然后總結了其在蛋白質、核酸、病毒等檢測中的應用以及對血清樣本的檢測方法，接著討論了提高傳感器靈敏度的方法，最后總結了硅納米線生物傳感器面臨的挑戰和發展前景。
1 SiNWs-FET 生物傳感器的工作原理
硅納米線場效應管生物傳感器是典型的以場效應晶體管為基礎的裝置，由襯底、絕緣的氧化層、柵極、源極和漏極組成。在硅納米線的表面修飾有特異性探針如單克隆抗體、單鏈 DNA 等，能夠高選擇性地在檢測樣品中捕捉目標分子。當硅納米線表面結合帶有電荷的分子時，會引起硅納米線內部電荷數量的改變。例如，修飾探針的 p 型硅納米線與帶負電目標的分子特異結合，可使硅納米線中的空穴載流子數量增加，導致其電導升高；相反，若結合帶正電的分子將減少空穴載流子數量，引起硅納米線的電導下降。n 型硅納米線與 p 型恰好相反。硅納米線場效應管能夠快速實時地對硅納米線表面分子結合導致的電學信號變化產生響應，同時檢測中不需另外的標記信號，從而能夠實現免標記檢測，使其有望成為生物樣品分析的理想工具。
最早使用這種方法是在對 pH 值溶液的檢測上，通過在 p 型硅納米線的表面修飾 3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTES），能夠為硅納米線提供氨基的末端。當硅納米線表面的氨基末端與溶液中氫離子發生質子化或去質子化反應，會使硅納米線中的載流子數量發生改變從而引起硅納米線電流的變化。硅納米線傳感器電流會隨著 pH 變化而產生相應的變化[7]。并且，這一方法可用來驗證納米線生物傳感器的檢測性能[3, 10]。
2 SiNWs-FET 生物傳感器在醫學中的應用
2.1 蛋白質的檢測
臨床上許多疾病的檢測標志物是蛋白質，其高靈敏度的檢測對于疾病的診斷和治療有很高的應用價值。Cui 等[7]首先將硅納米線場效應管生物傳感器用于生物素的實時檢測，其檢測限達到 10 pmol/L，遠低于當時的其它檢測方法。但是，生物素和鏈霉親和素不可逆的結合限制了其對不同濃度樣品的連續檢測。通過生物素-生物素單克隆抗體、鈣調蛋白-鈣離子等的可逆性結合，許多可重復使用的硅納米線生物傳感器被研究出來[7]。Mohd Azmi 等[11]報道了抗體修飾的硅納米線傳感器，檢測前列腺癌標志物 8-羥基脫氧鳥苷，最低檢測濃度可達到 1 ng/mL（3.5 nmol/L）；Kim 等[12]將這種方法用于檢測肌鈣蛋白Ⅰ，檢測限達到了 5 pg/mL。本課題組[13]使用甲胎蛋白單克隆抗體修飾的硅納米線生物傳感器對不同濃度的甲胎蛋白進行檢測，檢測限為 0.1 ng/mL。這些都進一步表明硅納米線場效應管生物傳感器應用于蛋白質檢測中的優勢。Gao 等[14]通過 n 型和 p 型的硅納米線生物傳感器的互補檢測提高了檢測的準確性，減少了假陽性結果，使用這種方法實現了對前列腺特異性抗原（prostate antigen，PSA）的高靈敏度、實時檢測，檢測范圍從 1 fg/mL～100 pg/mL，最低檢測量可至 30 amol/L，并且實現了對血清樣品的檢測。
一種疾病通常具有多種腫瘤標記物，單一腫瘤標志物存在敏感性低、假陽性率高等問題，因此多種標志物的聯合檢測能夠提高臨床診斷的準確率。Patolsky 等[15]研究了多通路的硅納米線生物傳感器。該傳感器包括多個被不同的單克隆抗體蛋白修飾的硅納米線微陣列，使用這種芯片對 PSA、癌胚抗原（carcino-embryonic antigen，CEA）和黏蛋白-1 等腫瘤標記物進行檢測，檢測限低至 fmol/L 級，相比于酶聯免疫吸附測定法（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）提高了多個數量級。
2.2 核酸的檢測
DNA 核酸序列、基因片段以及腫瘤基因突變位點的檢測對于基因組學的研究和疾病的診斷非常重要。由于 DNA 的磷酸骨架帶有大量負電荷，可用于硅納米線場效應晶體管生物傳感器的檢測。修飾和檢測的方法與蛋白質檢測相似，首先在硅納米線表面固定多肽核酸寡聚物（peptide nucleic acids，PNAs）探針，當一定濃度的核酸通過傳感器表面與 PNAs 發生雜交時，將引起器件電流發生變化。PNAs 在低離子濃度的緩沖液中與 DNA 具有很高的親和性，這種方法的檢測靈敏度達到了 10 fmol/L[16]。但是硅納米生物傳感器的信號強度會隨著目標 DNA 片段到硅納米線表面距離的增加急劇下降[17]，而 PNAs 探針長度的增加即可導致目標 DNA 與硅納米線表面的距離增加，從而在檢測的特異性與靈敏度之間產生矛盾。
miRNA 檢測對腫瘤的早期診斷和病情監測具有非常重要的意義。Lu 等[18]利用 DNA 分子探針修飾的 p 型雙通道硅納米線陣列芯片，實現了對肺癌相關 miRNAs 的超靈敏、無標記檢測，檢測限低至 0.13 fmol/L，檢測范圍從 0.1 fmol/L～1 nmol/L，跨越 7 個數量級。此外，硅納米線傳感器具有很高的選擇性，可檢測出單堿基錯配序列以及同家族相似序列，并可實現對肺癌真實樣品 miRNAs 的初步檢測。該工作對生物醫藥研究以及腫瘤的早期篩查和早期診斷具有重要意義。
2.3 病毒感染性疾病的檢測
病毒是引起急性傳染性疾病的主要病因之一，能否及時治療，往往取決于能否實現對病毒快速準確的檢測。Patolsky 等[19]將硅納米線場效應管傳感器用于 A 型流感病毒的檢測，其機制是通過病毒與單克隆抗體的結合引起硅納米線電導的變化，檢測靈敏度達到單個病毒的水平。并且，修飾有兩種相似病毒（A 型流感病毒和腺病毒）抗體的硅納米線傳感器能夠對這兩種病毒同時進行檢測。Kim 等[20]將禽流感病毒和人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）的抗原修飾在硅納米線生物傳感器表面，實現了對濃度僅為 4 μg/mL 的抗禽流感病毒抗體和抗 HIV 抗體的檢測，并且完成了對兩種病毒的選擇性多路復用檢測。這些研究都進一步證實了硅納米線場效應管傳感器用于病毒感染檢測的獨特優勢。
2.4 對血清/血液樣本的檢測
硅納米線場效應管生物傳感器在臨床工作中的最終應用，取決于其能否實現在血液或血清中對目標分子的快速準確的檢測。硅納米線場效應管傳感器已顯示出超高靈敏度、快速實時響應以及同時檢測多種目標分子的能力，但在血清檢測的應用中受到限制，因為在高離子濃度的血清或血液樣本中硅納米線場效應管生物傳感器受到德拜屏蔽效應的影響。德拜屏蔽效應是指溶液中目標分子如蛋白質所帶電荷會被周圍的離子所屏蔽，從而屏蔽了目標分子的電學信號。為此，有多種用于血液/血清樣品檢測的方法被研究出來。本課題組使用超濾離心法在檢測前將樣本去離子處理，樣品重新溶解在離子濃度較低的緩沖液之后能夠保持被檢測物原來的濃度，并對 CEA 和甲胎蛋白進行檢測，檢測范圍可分別達到 500 fg/mL～50 ng/mL 和 50 fg/mL～10 ng/mL[21]。另一種方法是使用非實時檢測的手段來替代實時檢測，通過檢測抗原抗體結合前后的電學信號變化情況來計算目標分子的濃度[22]。這種方法不受樣品溶液離子強度的影響，從而避免了德拜屏蔽效應。但是，背景電流變化的影響并沒有去除，同時不同的處理步驟可能對器件的性能產生影響。其它的方法包括使用抗體片段以縮短目標分子到硅納米線表面的距離[23]，或在硅納米線場效應傳感器表面覆蓋生物分子滲透性聚合物層以隔離離子對檢測信號的影響[24]。
為克服硅納米線場效應管電學器件在生理狀態下長期穩定性的難題，在傳感器表面覆蓋 Al2O3 薄層，其檢測性能在 37℃ 生理性溶液中能夠保持長期穩定（>4 個月）。硅納米線生物傳感器表面覆蓋 Al2O3/HfO2 層能夠延長器件在活體內的穩定性，最高可達到一年[25]。這些研究結果表明硅納米線生物傳感器具有用于細胞內、動物體內和植入物中長期監測的潛在價值。
3 提高 SiNWs-FET 傳感器靈敏度的方法
3.1 降低硅納米線的直徑
硅納米線場效應管傳感器的靈敏度與硅納米線的尺寸密切相關，硅納米線的比表面積要遠大于微米級尺寸的器件，這是由于直徑較大的硅納米線表面與帶電荷的分子結合時，反型的電荷主要集中在硅納米線的表面，硅納米線的內部并未對電流產生貢獻。當硅納米線的尺寸減小時，硅納米線的比表面積急劇增大，能夠在硅納米線內部形成反型電子，這將使致硅納米線的電導顯著提高，從而增強器件的靈敏度[26]。
3.2 硅納米線微結構用于增強分子捕獲的效率
硅納米線上增加微結構如納米顆粒能大幅增加納米線的比表面積、增強傳感器捕捉信號的效率和提高器件的靈敏度。Chen 等[27]使用殼核結構的磁性納米顆粒連接到硅納米線上，經特異性探針修飾的 n 型硅納米線檢測血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），并用其檢測了血清樣本，大大提高了其用于臨床檢測腫瘤標記物的潛力。
3.3 降低德拜屏蔽效應
場效應管生物傳感器通過檢測目標分子所攜帶的電荷量來檢測其濃度，但由于德拜屏蔽效應的存在，溶液中離子強度越高德拜屏蔽效應越強（德拜長度與離子強度的平方根呈反比）。如 1×磷酸鹽緩沖液（phosphate buffered saline，PBS）的德拜長度約 0.7 nm，這時，在傳感器表面結合的大部分抗原的電荷將會被屏蔽。為了減少德拜屏蔽效應，通過稀釋緩沖液、降低離子的濃度能夠顯著增加德拜長度[28]。Cheng 等[23]通過制備抗體片段探針以縮短傳感器表面與目標分子的距離，提高了檢測靈敏度。但是，抗體片段的尺寸接近 1 nm，如何突破在血清或血漿中檢測的限制（德拜長度<1 nm）還需要進一步的研究。Gao 等[24]研究出一種新的方法來克服硅納米線場效應管傳感器的這一問題。通過在硅納米線表面結合滲透性聚合物生物分子層，如聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG），能夠增加傳感器表面的有效屏蔽長度。對 PSA 的檢測中，覆蓋 PEG 的硅納米線場效應管能夠在 150 mmol/L 濃度的 PBS 緩沖液中檢測 PSA 濃度，線性響應區間在 10～1 000 nmol/L，而未結合 PEG 分子層的器件檢測的緩沖液離子濃度只能在 10 nmol/L。這種方法能夠在血清中應用，對于生物檢測具有至關重要的作用。
3.4 雙柵極硅納米線場效應管傳感器
為了達到硅納米線場效應管傳感器高靈敏度的要求，使用自上而下的光刻技術能夠制備具有兩個獨立柵極的納米線場效應管生物傳感器。兩個柵極分跨在硅納米線的兩側來增強器件的靈敏度[29]。與單柵極場效應管傳感器相比，雙柵極場效應管檢測靈敏度的增加非常明顯，尤其是在亞閾值電壓區域。
4 展望
納米線場效應管生物傳感器已經發展了多年，優點非常突出，但仍未得到實際的應用，其原因主要有以下幾個方面。首先是對單個傳感器表面探針表征的困難，cyro-EM 方法有望解決這一難題，這項技術能夠了解有機/生物/納米器件之間的結構信息[30-31]。其次，在生理溶液（血液/血清樣本）中檢測，由于德拜屏蔽效應的存在導致硅納米線生物傳感器的靈敏度下降，這一最關鍵的問題有望通過滲透性聚合物分子層來克服。最后，幾乎所有的硅納米線場效應管生物傳感器都是表面結合器件，而探測細胞內信號也是醫學研究的重要方面。最近有研究將硅納米線場效應管用于檢測細胞內的電荷變化，器件直接植入活體組織，可實現直接檢測細胞內的目標分子[31]。
未來，為了實現硅納米線生物傳感器的臨床應用，需要進一步發展現有技術，利用基因組學和蛋白質組學的相關信息來促進腫瘤等復雜疾病的診斷和治療。硅納米線場效應管傳感器具有高靈敏度、高選擇性、特異性、快速實時檢測和免于標記等優點，這些優勢是納米技術在醫學中的重要應用，并且能夠促進醫學研究和臨床工作不斷進步。
引言
醫學研究和疾病診斷需要利用傳感器對生物分子如蛋白質、核酸等進行檢測。在設計和制作傳感器的過程中需考慮高靈敏度、高特異性、高通量、快速實時響應等特點[1]，而硅納米線場效應管（silicon nanowires field-effect transistor, SiNWs-FET）生物傳感器具有上述優點。硅納米線生物傳感器的核心結構硅納米線可由半導體材料如硅、ZnO、SnO2、TiO2 等加工而成[2-6]。在這些半導體材料中，硅納米線的直徑能夠達到與蛋白質、核酸分子相近的納米尺寸，具有很高的電子或空穴密度，并且具有非常高的比表面積、穩定的化學特性，同時能與半導體加工工藝兼容[2-3, 7-9]。這些特性使其能夠用于超高靈敏度、快速實時檢測和免標記等高性能生物傳感器的研究，并且具有大規模生產的潛能。
本文首先介紹硅納米線場效應管生物傳感器的工作原理，然后總結了其在蛋白質、核酸、病毒等檢測中的應用以及對血清樣本的檢測方法，接著討論了提高傳感器靈敏度的方法，最后總結了硅納米線生物傳感器面臨的挑戰和發展前景。
1 SiNWs-FET 生物傳感器的工作原理
硅納米線場效應管生物傳感器是典型的以場效應晶體管為基礎的裝置，由襯底、絕緣的氧化層、柵極、源極和漏極組成。在硅納米線的表面修飾有特異性探針如單克隆抗體、單鏈 DNA 等，能夠高選擇性地在檢測樣品中捕捉目標分子。當硅納米線表面結合帶有電荷的分子時，會引起硅納米線內部電荷數量的改變。例如，修飾探針的 p 型硅納米線與帶負電目標的分子特異結合，可使硅納米線中的空穴載流子數量增加，導致其電導升高；相反，若結合帶正電的分子將減少空穴載流子數量，引起硅納米線的電導下降。n 型硅納米線與 p 型恰好相反。硅納米線場效應管能夠快速實時地對硅納米線表面分子結合導致的電學信號變化產生響應，同時檢測中不需另外的標記信號，從而能夠實現免標記檢測，使其有望成為生物樣品分析的理想工具。
最早使用這種方法是在對 pH 值溶液的檢測上，通過在 p 型硅納米線的表面修飾 3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTES），能夠為硅納米線提供氨基的末端。當硅納米線表面的氨基末端與溶液中氫離子發生質子化或去質子化反應，會使硅納米線中的載流子數量發生改變從而引起硅納米線電流的變化。硅納米線傳感器電流會隨著 pH 變化而產生相應的變化[7]。并且，這一方法可用來驗證納米線生物傳感器的檢測性能[3, 10]。
2 SiNWs-FET 生物傳感器在醫學中的應用
2.1 蛋白質的檢測
臨床上許多疾病的檢測標志物是蛋白質，其高靈敏度的檢測對于疾病的診斷和治療有很高的應用價值。Cui 等[7]首先將硅納米線場效應管生物傳感器用于生物素的實時檢測，其檢測限達到 10 pmol/L，遠低于當時的其它檢測方法。但是，生物素和鏈霉親和素不可逆的結合限制了其對不同濃度樣品的連續檢測。通過生物素-生物素單克隆抗體、鈣調蛋白-鈣離子等的可逆性結合，許多可重復使用的硅納米線生物傳感器被研究出來[7]。Mohd Azmi 等[11]報道了抗體修飾的硅納米線傳感器，檢測前列腺癌標志物 8-羥基脫氧鳥苷，最低檢測濃度可達到 1 ng/mL（3.5 nmol/L）；Kim 等[12]將這種方法用于檢測肌鈣蛋白Ⅰ，檢測限達到了 5 pg/mL。本課題組[13]使用甲胎蛋白單克隆抗體修飾的硅納米線生物傳感器對不同濃度的甲胎蛋白進行檢測，檢測限為 0.1 ng/mL。這些都進一步表明硅納米線場效應管生物傳感器應用于蛋白質檢測中的優勢。Gao 等[14]通過 n 型和 p 型的硅納米線生物傳感器的互補檢測提高了檢測的準確性，減少了假陽性結果，使用這種方法實現了對前列腺特異性抗原（prostate antigen，PSA）的高靈敏度、實時檢測，檢測范圍從 1 fg/mL～100 pg/mL，最低檢測量可至 30 amol/L，并且實現了對血清樣品的檢測。
一種疾病通常具有多種腫瘤標記物，單一腫瘤標志物存在敏感性低、假陽性率高等問題，因此多種標志物的聯合檢測能夠提高臨床診斷的準確率。Patolsky 等[15]研究了多通路的硅納米線生物傳感器。該傳感器包括多個被不同的單克隆抗體蛋白修飾的硅納米線微陣列，使用這種芯片對 PSA、癌胚抗原（carcino-embryonic antigen，CEA）和黏蛋白-1 等腫瘤標記物進行檢測，檢測限低至 fmol/L 級，相比于酶聯免疫吸附測定法（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）提高了多個數量級。
2.2 核酸的檢測
DNA 核酸序列、基因片段以及腫瘤基因突變位點的檢測對于基因組學的研究和疾病的診斷非常重要。由于 DNA 的磷酸骨架帶有大量負電荷，可用于硅納米線場效應晶體管生物傳感器的檢測。修飾和檢測的方法與蛋白質檢測相似，首先在硅納米線表面固定多肽核酸寡聚物（peptide nucleic acids，PNAs）探針，當一定濃度的核酸通過傳感器表面與 PNAs 發生雜交時，將引起器件電流發生變化。PNAs 在低離子濃度的緩沖液中與 DNA 具有很高的親和性，這種方法的檢測靈敏度達到了 10 fmol/L[16]。但是硅納米生物傳感器的信號強度會隨著目標 DNA 片段到硅納米線表面距離的增加急劇下降[17]，而 PNAs 探針長度的增加即可導致目標 DNA 與硅納米線表面的距離增加，從而在檢測的特異性與靈敏度之間產生矛盾。
miRNA 檢測對腫瘤的早期診斷和病情監測具有非常重要的意義。Lu 等[18]利用 DNA 分子探針修飾的 p 型雙通道硅納米線陣列芯片，實現了對肺癌相關 miRNAs 的超靈敏、無標記檢測，檢測限低至 0.13 fmol/L，檢測范圍從 0.1 fmol/L～1 nmol/L，跨越 7 個數量級。此外，硅納米線傳感器具有很高的選擇性，可檢測出單堿基錯配序列以及同家族相似序列，并可實現對肺癌真實樣品 miRNAs 的初步檢測。該工作對生物醫藥研究以及腫瘤的早期篩查和早期診斷具有重要意義。
2.3 病毒感染性疾病的檢測
病毒是引起急性傳染性疾病的主要病因之一，能否及時治療，往往取決于能否實現對病毒快速準確的檢測。Patolsky 等[19]將硅納米線場效應管傳感器用于 A 型流感病毒的檢測，其機制是通過病毒與單克隆抗體的結合引起硅納米線電導的變化，檢測靈敏度達到單個病毒的水平。并且，修飾有兩種相似病毒（A 型流感病毒和腺病毒）抗體的硅納米線傳感器能夠對這兩種病毒同時進行檢測。Kim 等[20]將禽流感病毒和人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）的抗原修飾在硅納米線生物傳感器表面，實現了對濃度僅為 4 μg/mL 的抗禽流感病毒抗體和抗 HIV 抗體的檢測，并且完成了對兩種病毒的選擇性多路復用檢測。這些研究都進一步證實了硅納米線場效應管傳感器用于病毒感染檢測的獨特優勢。
2.4 對血清/血液樣本的檢測
硅納米線場效應管生物傳感器在臨床工作中的最終應用，取決于其能否實現在血液或血清中對目標分子的快速準確的檢測。硅納米線場效應管傳感器已顯示出超高靈敏度、快速實時響應以及同時檢測多種目標分子的能力，但在血清檢測的應用中受到限制，因為在高離子濃度的血清或血液樣本中硅納米線場效應管生物傳感器受到德拜屏蔽效應的影響。德拜屏蔽效應是指溶液中目標分子如蛋白質所帶電荷會被周圍的離子所屏蔽，從而屏蔽了目標分子的電學信號。為此，有多種用于血液/血清樣品檢測的方法被研究出來。本課題組使用超濾離心法在檢測前將樣本去離子處理，樣品重新溶解在離子濃度較低的緩沖液之后能夠保持被檢測物原來的濃度，并對 CEA 和甲胎蛋白進行檢測，檢測范圍可分別達到 500 fg/mL～50 ng/mL 和 50 fg/mL～10 ng/mL[21]。另一種方法是使用非實時檢測的手段來替代實時檢測，通過檢測抗原抗體結合前后的電學信號變化情況來計算目標分子的濃度[22]。這種方法不受樣品溶液離子強度的影響，從而避免了德拜屏蔽效應。但是，背景電流變化的影響并沒有去除，同時不同的處理步驟可能對器件的性能產生影響。其它的方法包括使用抗體片段以縮短目標分子到硅納米線表面的距離[23]，或在硅納米線場效應傳感器表面覆蓋生物分子滲透性聚合物層以隔離離子對檢測信號的影響[24]。
為克服硅納米線場效應管電學器件在生理狀態下長期穩定性的難題，在傳感器表面覆蓋 Al2O3 薄層，其檢測性能在 37℃ 生理性溶液中能夠保持長期穩定（>4 個月）。硅納米線生物傳感器表面覆蓋 Al2O3/HfO2 層能夠延長器件在活體內的穩定性，最高可達到一年[25]。這些研究結果表明硅納米線生物傳感器具有用于細胞內、動物體內和植入物中長期監測的潛在價值。
3 提高 SiNWs-FET 傳感器靈敏度的方法
3.1 降低硅納米線的直徑
硅納米線場效應管傳感器的靈敏度與硅納米線的尺寸密切相關，硅納米線的比表面積要遠大于微米級尺寸的器件，這是由于直徑較大的硅納米線表面與帶電荷的分子結合時，反型的電荷主要集中在硅納米線的表面，硅納米線的內部并未對電流產生貢獻。當硅納米線的尺寸減小時，硅納米線的比表面積急劇增大，能夠在硅納米線內部形成反型電子，這將使致硅納米線的電導顯著提高，從而增強器件的靈敏度[26]。
3.2 硅納米線微結構用于增強分子捕獲的效率
硅納米線上增加微結構如納米顆粒能大幅增加納米線的比表面積、增強傳感器捕捉信號的效率和提高器件的靈敏度。Chen 等[27]使用殼核結構的磁性納米顆粒連接到硅納米線上，經特異性探針修飾的 n 型硅納米線檢測血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），并用其檢測了血清樣本，大大提高了其用于臨床檢測腫瘤標記物的潛力。
3.3 降低德拜屏蔽效應
場效應管生物傳感器通過檢測目標分子所攜帶的電荷量來檢測其濃度，但由于德拜屏蔽效應的存在，溶液中離子強度越高德拜屏蔽效應越強（德拜長度與離子強度的平方根呈反比）。如 1×磷酸鹽緩沖液（phosphate buffered saline，PBS）的德拜長度約 0.7 nm，這時，在傳感器表面結合的大部分抗原的電荷將會被屏蔽。為了減少德拜屏蔽效應，通過稀釋緩沖液、降低離子的濃度能夠顯著增加德拜長度[28]。Cheng 等[23]通過制備抗體片段探針以縮短傳感器表面與目標分子的距離，提高了檢測靈敏度。但是，抗體片段的尺寸接近 1 nm，如何突破在血清或血漿中檢測的限制（德拜長度<1 nm）還需要進一步的研究。Gao 等[24]研究出一種新的方法來克服硅納米線場效應管傳感器的這一問題。通過在硅納米線表面結合滲透性聚合物生物分子層，如聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG），能夠增加傳感器表面的有效屏蔽長度。對 PSA 的檢測中，覆蓋 PEG 的硅納米線場效應管能夠在 150 mmol/L 濃度的 PBS 緩沖液中檢測 PSA 濃度，線性響應區間在 10～1 000 nmol/L，而未結合 PEG 分子層的器件檢測的緩沖液離子濃度只能在 10 nmol/L。這種方法能夠在血清中應用，對于生物檢測具有至關重要的作用。
3.4 雙柵極硅納米線場效應管傳感器
為了達到硅納米線場效應管傳感器高靈敏度的要求，使用自上而下的光刻技術能夠制備具有兩個獨立柵極的納米線場效應管生物傳感器。兩個柵極分跨在硅納米線的兩側來增強器件的靈敏度[29]。與單柵極場效應管傳感器相比，雙柵極場效應管檢測靈敏度的增加非常明顯，尤其是在亞閾值電壓區域。
4 展望
納米線場效應管生物傳感器已經發展了多年，優點非常突出，但仍未得到實際的應用，其原因主要有以下幾個方面。首先是對單個傳感器表面探針表征的困難，cyro-EM 方法有望解決這一難題，這項技術能夠了解有機/生物/納米器件之間的結構信息[30-31]。其次，在生理溶液（血液/血清樣本）中檢測，由于德拜屏蔽效應的存在導致硅納米線生物傳感器的靈敏度下降，這一最關鍵的問題有望通過滲透性聚合物分子層來克服。最后，幾乎所有的硅納米線場效應管生物傳感器都是表面結合器件，而探測細胞內信號也是醫學研究的重要方面。最近有研究將硅納米線場效應管用于檢測細胞內的電荷變化，器件直接植入活體組織，可實現直接檢測細胞內的目標分子[31]。
未來，為了實現硅納米線生物傳感器的臨床應用，需要進一步發展現有技術，利用基因組學和蛋白質組學的相關信息來促進腫瘤等復雜疾病的診斷和治療。硅納米線場效應管傳感器具有高靈敏度、高選擇性、特異性、快速實時檢測和免于標記等優點，這些優勢是納米技術在醫學中的重要應用，并且能夠促進醫學研究和臨床工作不斷進步。