蛋白质、核酸、病毒等物质的高灵敏度定量检测在疾病诊断、医学研究中起到重要作用。硅纳米线场效应管（SiNWs-FET）生物传感器有望在蛋白质和其它分子的非标记、快速实时响应、超高灵敏检测中成为极有价值的方法之一。本文介绍了硅纳米线场效应管生物传感器的工作原理并总结其在医学中的应用进展，讨论了提高硅纳米线生物传感器灵敏度的方法及目前所面临的挑战，并展望了硅纳米线场效应管生物传感器的发展前景。
引用本文： 包增涛, 王彤. 硅纳米线场效应管生物传感器的医学应用. 生物医学工程学杂志, 2017, 34(5): 807-811. doi: 10.7507/1001-5515.201701012 复制
引言
医学研究和疾病诊断需要利用传感器对生物分子如蛋白质、核酸等进行检测。在设计和制作传感器的过程中需考虑高灵敏度、高特异性、高通量、快速实时响应等特点[1]，而硅纳米线场效应管（silicon nanowires field-effect transistor, SiNWs-FET）生物传感器具有上述优点。硅纳米线生物传感器的核心结构硅纳米线可由半导体材料如硅、ZnO、SnO2、TiO2 等加工而成[2-6]。在这些半导体材料中，硅纳米线的直径能够达到与蛋白质、核酸分子相近的纳米尺寸，具有很高的电子或空穴密度，并且具有非常高的比表面积、稳定的化学特性，同时能与半导体加工工艺兼容[2-3, 7-9]。这些特性使其能够用于超高灵敏度、快速实时检测和免标记等高性能生物传感器的研究，并且具有大规模生产的潜能。
本文首先介绍硅纳米线场效应管生物传感器的工作原理，然后总结了其在蛋白质、核酸、病毒等检测中的应用以及对血清样本的检测方法，接着讨论了提高传感器灵敏度的方法，最后总结了硅纳米线生物传感器面临的挑战和发展前景。
1 SiNWs-FET 生物传感器的工作原理
硅纳米线场效应管生物传感器是典型的以场效应晶体管为基础的装置，由衬底、绝缘的氧化层、栅极、源极和漏极组成。在硅纳米线的表面修饰有特异性探针如单克隆抗体、单链 DNA 等，能够高选择性地在检测样品中捕捉目标分子。当硅纳米线表面结合带有电荷的分子时，会引起硅纳米线内部电荷数量的改变。例如，修饰探针的 p 型硅纳米线与带负电目标的分子特异结合，可使硅纳米线中的空穴载流子数量增加，导致其电导升高；相反，若结合带正电的分子将减少空穴载流子数量，引起硅纳米线的电导下降。n 型硅纳米线与 p 型恰好相反。硅纳米线场效应管能够快速实时地对硅纳米线表面分子结合导致的电学信号变化产生响应，同时检测中不需另外的标记信号，从而能够实现免标记检测，使其有望成为生物样品分析的理想工具。
最早使用这种方法是在对 pH 值溶液的检测上，通过在 p 型硅纳米线的表面修饰 3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTES），能够为硅纳米线提供氨基的末端。当硅纳米线表面的氨基末端与溶液中氢离子发生质子化或去质子化反应，会使硅纳米线中的载流子数量发生改变从而引起硅纳米线电流的变化。硅纳米线传感器电流会随着 pH 变化而产生相应的变化[7]。并且，这一方法可用来验证纳米线生物传感器的检测性能[3, 10]。
2 SiNWs-FET 生物传感器在医学中的应用
2.1 蛋白质的检测
临床上许多疾病的检测标志物是蛋白质，其高灵敏度的检测对于疾病的诊断和治疗有很高的应用价值。Cui 等[7]首先将硅纳米线场效应管生物传感器用于生物素的实时检测，其检测限达到 10 pmol/L，远低于当时的其它检测方法。但是，生物素和链霉亲和素不可逆的结合限制了其对不同浓度样品的连续检测。通过生物素-生物素单克隆抗体、钙调蛋白-钙离子等的可逆性结合，许多可重复使用的硅纳米线生物传感器被研究出来[7]。Mohd Azmi 等[11]报道了抗体修饰的硅纳米线传感器，检测前列腺癌标志物 8-羟基脱氧鸟苷，最低检测浓度可达到 1 ng/mL（3.5 nmol/L）；Kim 等[12]将这种方法用于检测肌钙蛋白Ⅰ，检测限达到了 5 pg/mL。本课题组[13]使用甲胎蛋白单克隆抗体修饰的硅纳米线生物传感器对不同浓度的甲胎蛋白进行检测，检测限为 0.1 ng/mL。这些都进一步表明硅纳米线场效应管生物传感器应用于蛋白质检测中的优势。Gao 等[14]通过 n 型和 p 型的硅纳米线生物传感器的互补检测提高了检测的准确性，减少了假阳性结果，使用这种方法实现了对前列腺特异性抗原（prostate antigen，PSA）的高灵敏度、实时检测，检测范围从 1 fg/mL～100 pg/mL，最低检测量可至 30 amol/L，并且实现了对血清样品的检测。
一种疾病通常具有多种肿瘤标记物，单一肿瘤标志物存在敏感性低、假阳性率高等问题，因此多种标志物的联合检测能够提高临床诊断的准确率。Patolsky 等[15]研究了多通路的硅纳米线生物传感器。该传感器包括多个被不同的单克隆抗体蛋白修饰的硅纳米线微阵列，使用这种芯片对 PSA、癌胚抗原（carcino-embryonic antigen，CEA）和黏蛋白-1 等肿瘤标记物进行检测，检测限低至 fmol/L 级，相比于酶联免疫吸附测定法（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）提高了多个数量级。
2.2 核酸的检测
DNA 核酸序列、基因片段以及肿瘤基因突变位点的检测对于基因组学的研究和疾病的诊断非常重要。由于 DNA 的磷酸骨架带有大量负电荷，可用于硅纳米线场效应晶体管生物传感器的检测。修饰和检测的方法与蛋白质检测相似，首先在硅纳米线表面固定多肽核酸寡聚物（peptide nucleic acids，PNAs）探针，当一定浓度的核酸通过传感器表面与 PNAs 发生杂交时，将引起器件电流发生变化。PNAs 在低离子浓度的缓冲液中与 DNA 具有很高的亲和性，这种方法的检测灵敏度达到了 10 fmol/L[16]。但是硅纳米生物传感器的信号强度会随着目标 DNA 片段到硅纳米线表面距离的增加急剧下降[17]，而 PNAs 探针长度的增加即可导致目标 DNA 与硅纳米线表面的距离增加，从而在检测的特异性与灵敏度之间产生矛盾。
miRNA 检测对肿瘤的早期诊断和病情监测具有非常重要的意义。Lu 等[18]利用 DNA 分子探针修饰的 p 型双通道硅纳米线阵列芯片，实现了对肺癌相关 miRNAs 的超灵敏、无标记检测，检测限低至 0.13 fmol/L，检测范围从 0.1 fmol/L～1 nmol/L，跨越 7 个数量级。此外，硅纳米线传感器具有很高的选择性，可检测出单碱基错配序列以及同家族相似序列，并可实现对肺癌真实样品 miRNAs 的初步检测。该工作对生物医药研究以及肿瘤的早期筛查和早期诊断具有重要意义。
2.3 病毒感染性疾病的检测
病毒是引起急性传染性疾病的主要病因之一，能否及时治疗，往往取决于能否实现对病毒快速准确的检测。Patolsky 等[19]将硅纳米线场效应管传感器用于 A 型流感病毒的检测，其机制是通过病毒与单克隆抗体的结合引起硅纳米线电导的变化，检测灵敏度达到单个病毒的水平。并且，修饰有两种相似病毒（A 型流感病毒和腺病毒）抗体的硅纳米线传感器能够对这两种病毒同时进行检测。Kim 等[20]将禽流感病毒和人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）的抗原修饰在硅纳米线生物传感器表面，实现了对浓度仅为 4 μg/mL 的抗禽流感病毒抗体和抗 HIV 抗体的检测，并且完成了对两种病毒的选择性多路复用检测。这些研究都进一步证实了硅纳米线场效应管传感器用于病毒感染检测的独特优势。
2.4 对血清/血液样本的检测
硅纳米线场效应管生物传感器在临床工作中的最终应用，取决于其能否实现在血液或血清中对目标分子的快速准确的检测。硅纳米线场效应管传感器已显示出超高灵敏度、快速实时响应以及同时检测多种目标分子的能力，但在血清检测的应用中受到限制，因为在高离子浓度的血清或血液样本中硅纳米线场效应管生物传感器受到德拜屏蔽效应的影响。德拜屏蔽效应是指溶液中目标分子如蛋白质所带电荷会被周围的离子所屏蔽，从而屏蔽了目标分子的电学信号。为此，有多种用于血液/血清样品检测的方法被研究出来。本课题组使用超滤离心法在检测前将样本去离子处理，样品重新溶解在离子浓度较低的缓冲液之后能够保持被检测物原来的浓度，并对 CEA 和甲胎蛋白进行检测，检测范围可分别达到 500 fg/mL～50 ng/mL 和 50 fg/mL～10 ng/mL[21]。另一种方法是使用非实时检测的手段来替代实时检测，通过检测抗原抗体结合前后的电学信号变化情况来计算目标分子的浓度[22]。这种方法不受样品溶液离子强度的影响，从而避免了德拜屏蔽效应。但是，背景电流变化的影响并没有去除，同时不同的处理步骤可能对器件的性能产生影响。其它的方法包括使用抗体片段以缩短目标分子到硅纳米线表面的距离[23]，或在硅纳米线场效应传感器表面覆盖生物分子渗透性聚合物层以隔离离子对检测信号的影响[24]。
为克服硅纳米线场效应管电学器件在生理状态下长期稳定性的难题，在传感器表面覆盖 Al2O3 薄层，其检测性能在 37℃ 生理性溶液中能够保持长期稳定（>4 个月）。硅纳米线生物传感器表面覆盖 Al2O3/HfO2 层能够延长器件在活体内的稳定性，最高可达到一年[25]。这些研究结果表明硅纳米线生物传感器具有用于细胞内、动物体内和植入物中长期监测的潜在价值。
3 提高 SiNWs-FET 传感器灵敏度的方法
3.1 降低硅纳米线的直径
硅纳米线场效应管传感器的灵敏度与硅纳米线的尺寸密切相关，硅纳米线的比表面积要远大于微米级尺寸的器件，这是由于直径较大的硅纳米线表面与带电荷的分子结合时，反型的电荷主要集中在硅纳米线的表面，硅纳米线的内部并未对电流产生贡献。当硅纳米线的尺寸减小时，硅纳米线的比表面积急剧增大，能够在硅纳米线内部形成反型电子，这将使致硅纳米线的电导显著提高，从而增强器件的灵敏度[26]。
3.2 硅纳米线微结构用于增强分子捕获的效率
硅纳米线上增加微结构如纳米颗粒能大幅增加纳米线的比表面积、增强传感器捕捉信号的效率和提高器件的灵敏度。Chen 等[27]使用壳核结构的磁性纳米颗粒连接到硅纳米线上，经特异性探针修饰的 n 型硅纳米线检测血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），并用其检测了血清样本，大大提高了其用于临床检测肿瘤标记物的潜力。
3.3 降低德拜屏蔽效应
场效应管生物传感器通过检测目标分子所携带的电荷量来检测其浓度，但由于德拜屏蔽效应的存在，溶液中离子强度越高德拜屏蔽效应越强（德拜长度与离子强度的平方根呈反比）。如 1×磷酸盐缓冲液（phosphate buffered saline，PBS）的德拜长度约 0.7 nm，这时，在传感器表面结合的大部分抗原的电荷将会被屏蔽。为了减少德拜屏蔽效应，通过稀释缓冲液、降低离子的浓度能够显著增加德拜长度[28]。Cheng 等[23]通过制备抗体片段探针以缩短传感器表面与目标分子的距离，提高了检测灵敏度。但是，抗体片段的尺寸接近 1 nm，如何突破在血清或血浆中检测的限制（德拜长度<1 nm）还需要进一步的研究。Gao 等[24]研究出一种新的方法来克服硅纳米线场效应管传感器的这一问题。通过在硅纳米线表面结合渗透性聚合物生物分子层，如聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG），能够增加传感器表面的有效屏蔽长度。对 PSA 的检测中，覆盖 PEG 的硅纳米线场效应管能够在 150 mmol/L 浓度的 PBS 缓冲液中检测 PSA 浓度，线性响应区间在 10～1 000 nmol/L，而未结合 PEG 分子层的器件检测的缓冲液离子浓度只能在 10 nmol/L。这种方法能够在血清中应用，对于生物检测具有至关重要的作用。
3.4 双栅极硅纳米线场效应管传感器
为了达到硅纳米线场效应管传感器高灵敏度的要求，使用自上而下的光刻技术能够制备具有两个独立栅极的纳米线场效应管生物传感器。两个栅极分跨在硅纳米线的两侧来增强器件的灵敏度[29]。与单栅极场效应管传感器相比，双栅极场效应管检测灵敏度的增加非常明显，尤其是在亚阈值电压区域。
4 展望
纳米线场效应管生物传感器已经发展了多年，优点非常突出，但仍未得到实际的应用，其原因主要有以下几个方面。首先是对单个传感器表面探针表征的困难，cyro-EM 方法有望解决这一难题，这项技术能够了解有机/生物/纳米器件之间的结构信息[30-31]。其次，在生理溶液（血液/血清样本）中检测，由于德拜屏蔽效应的存在导致硅纳米线生物传感器的灵敏度下降，这一最关键的问题有望通过渗透性聚合物分子层来克服。最后，几乎所有的硅纳米线场效应管生物传感器都是表面结合器件，而探测细胞内信号也是医学研究的重要方面。最近有研究将硅纳米线场效应管用于检测细胞内的电荷变化，器件直接植入活体组织，可实现直接检测细胞内的目标分子[31]。
未来，为了实现硅纳米线生物传感器的临床应用，需要进一步发展现有技术，利用基因组学和蛋白质组学的相关信息来促进肿瘤等复杂疾病的诊断和治疗。硅纳米线场效应管传感器具有高灵敏度、高选择性、特异性、快速实时检测和免于标记等优点，这些优势是纳米技术在医学中的重要应用，并且能够促进医学研究和临床工作不断进步。
引言
医学研究和疾病诊断需要利用传感器对生物分子如蛋白质、核酸等进行检测。在设计和制作传感器的过程中需考虑高灵敏度、高特异性、高通量、快速实时响应等特点[1]，而硅纳米线场效应管（silicon nanowires field-effect transistor, SiNWs-FET）生物传感器具有上述优点。硅纳米线生物传感器的核心结构硅纳米线可由半导体材料如硅、ZnO、SnO2、TiO2 等加工而成[2-6]。在这些半导体材料中，硅纳米线的直径能够达到与蛋白质、核酸分子相近的纳米尺寸，具有很高的电子或空穴密度，并且具有非常高的比表面积、稳定的化学特性，同时能与半导体加工工艺兼容[2-3, 7-9]。这些特性使其能够用于超高灵敏度、快速实时检测和免标记等高性能生物传感器的研究，并且具有大规模生产的潜能。
本文首先介绍硅纳米线场效应管生物传感器的工作原理，然后总结了其在蛋白质、核酸、病毒等检测中的应用以及对血清样本的检测方法，接着讨论了提高传感器灵敏度的方法，最后总结了硅纳米线生物传感器面临的挑战和发展前景。
1 SiNWs-FET 生物传感器的工作原理
硅纳米线场效应管生物传感器是典型的以场效应晶体管为基础的装置，由衬底、绝缘的氧化层、栅极、源极和漏极组成。在硅纳米线的表面修饰有特异性探针如单克隆抗体、单链 DNA 等，能够高选择性地在检测样品中捕捉目标分子。当硅纳米线表面结合带有电荷的分子时，会引起硅纳米线内部电荷数量的改变。例如，修饰探针的 p 型硅纳米线与带负电目标的分子特异结合，可使硅纳米线中的空穴载流子数量增加，导致其电导升高；相反，若结合带正电的分子将减少空穴载流子数量，引起硅纳米线的电导下降。n 型硅纳米线与 p 型恰好相反。硅纳米线场效应管能够快速实时地对硅纳米线表面分子结合导致的电学信号变化产生响应，同时检测中不需另外的标记信号，从而能够实现免标记检测，使其有望成为生物样品分析的理想工具。
最早使用这种方法是在对 pH 值溶液的检测上，通过在 p 型硅纳米线的表面修饰 3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTES），能够为硅纳米线提供氨基的末端。当硅纳米线表面的氨基末端与溶液中氢离子发生质子化或去质子化反应，会使硅纳米线中的载流子数量发生改变从而引起硅纳米线电流的变化。硅纳米线传感器电流会随着 pH 变化而产生相应的变化[7]。并且，这一方法可用来验证纳米线生物传感器的检测性能[3, 10]。
2 SiNWs-FET 生物传感器在医学中的应用
2.1 蛋白质的检测
临床上许多疾病的检测标志物是蛋白质，其高灵敏度的检测对于疾病的诊断和治疗有很高的应用价值。Cui 等[7]首先将硅纳米线场效应管生物传感器用于生物素的实时检测，其检测限达到 10 pmol/L，远低于当时的其它检测方法。但是，生物素和链霉亲和素不可逆的结合限制了其对不同浓度样品的连续检测。通过生物素-生物素单克隆抗体、钙调蛋白-钙离子等的可逆性结合，许多可重复使用的硅纳米线生物传感器被研究出来[7]。Mohd Azmi 等[11]报道了抗体修饰的硅纳米线传感器，检测前列腺癌标志物 8-羟基脱氧鸟苷，最低检测浓度可达到 1 ng/mL（3.5 nmol/L）；Kim 等[12]将这种方法用于检测肌钙蛋白Ⅰ，检测限达到了 5 pg/mL。本课题组[13]使用甲胎蛋白单克隆抗体修饰的硅纳米线生物传感器对不同浓度的甲胎蛋白进行检测，检测限为 0.1 ng/mL。这些都进一步表明硅纳米线场效应管生物传感器应用于蛋白质检测中的优势。Gao 等[14]通过 n 型和 p 型的硅纳米线生物传感器的互补检测提高了检测的准确性，减少了假阳性结果，使用这种方法实现了对前列腺特异性抗原（prostate antigen，PSA）的高灵敏度、实时检测，检测范围从 1 fg/mL～100 pg/mL，最低检测量可至 30 amol/L，并且实现了对血清样品的检测。
一种疾病通常具有多种肿瘤标记物，单一肿瘤标志物存在敏感性低、假阳性率高等问题，因此多种标志物的联合检测能够提高临床诊断的准确率。Patolsky 等[15]研究了多通路的硅纳米线生物传感器。该传感器包括多个被不同的单克隆抗体蛋白修饰的硅纳米线微阵列，使用这种芯片对 PSA、癌胚抗原（carcino-embryonic antigen，CEA）和黏蛋白-1 等肿瘤标记物进行检测，检测限低至 fmol/L 级，相比于酶联免疫吸附测定法（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）提高了多个数量级。
2.2 核酸的检测
DNA 核酸序列、基因片段以及肿瘤基因突变位点的检测对于基因组学的研究和疾病的诊断非常重要。由于 DNA 的磷酸骨架带有大量负电荷，可用于硅纳米线场效应晶体管生物传感器的检测。修饰和检测的方法与蛋白质检测相似，首先在硅纳米线表面固定多肽核酸寡聚物（peptide nucleic acids，PNAs）探针，当一定浓度的核酸通过传感器表面与 PNAs 发生杂交时，将引起器件电流发生变化。PNAs 在低离子浓度的缓冲液中与 DNA 具有很高的亲和性，这种方法的检测灵敏度达到了 10 fmol/L[16]。但是硅纳米生物传感器的信号强度会随着目标 DNA 片段到硅纳米线表面距离的增加急剧下降[17]，而 PNAs 探针长度的增加即可导致目标 DNA 与硅纳米线表面的距离增加，从而在检测的特异性与灵敏度之间产生矛盾。
miRNA 检测对肿瘤的早期诊断和病情监测具有非常重要的意义。Lu 等[18]利用 DNA 分子探针修饰的 p 型双通道硅纳米线阵列芯片，实现了对肺癌相关 miRNAs 的超灵敏、无标记检测，检测限低至 0.13 fmol/L，检测范围从 0.1 fmol/L～1 nmol/L，跨越 7 个数量级。此外，硅纳米线传感器具有很高的选择性，可检测出单碱基错配序列以及同家族相似序列，并可实现对肺癌真实样品 miRNAs 的初步检测。该工作对生物医药研究以及肿瘤的早期筛查和早期诊断具有重要意义。
2.3 病毒感染性疾病的检测
病毒是引起急性传染性疾病的主要病因之一，能否及时治疗，往往取决于能否实现对病毒快速准确的检测。Patolsky 等[19]将硅纳米线场效应管传感器用于 A 型流感病毒的检测，其机制是通过病毒与单克隆抗体的结合引起硅纳米线电导的变化，检测灵敏度达到单个病毒的水平。并且，修饰有两种相似病毒（A 型流感病毒和腺病毒）抗体的硅纳米线传感器能够对这两种病毒同时进行检测。Kim 等[20]将禽流感病毒和人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）的抗原修饰在硅纳米线生物传感器表面，实现了对浓度仅为 4 μg/mL 的抗禽流感病毒抗体和抗 HIV 抗体的检测，并且完成了对两种病毒的选择性多路复用检测。这些研究都进一步证实了硅纳米线场效应管传感器用于病毒感染检测的独特优势。
2.4 对血清/血液样本的检测
硅纳米线场效应管生物传感器在临床工作中的最终应用，取决于其能否实现在血液或血清中对目标分子的快速准确的检测。硅纳米线场效应管传感器已显示出超高灵敏度、快速实时响应以及同时检测多种目标分子的能力，但在血清检测的应用中受到限制，因为在高离子浓度的血清或血液样本中硅纳米线场效应管生物传感器受到德拜屏蔽效应的影响。德拜屏蔽效应是指溶液中目标分子如蛋白质所带电荷会被周围的离子所屏蔽，从而屏蔽了目标分子的电学信号。为此，有多种用于血液/血清样品检测的方法被研究出来。本课题组使用超滤离心法在检测前将样本去离子处理，样品重新溶解在离子浓度较低的缓冲液之后能够保持被检测物原来的浓度，并对 CEA 和甲胎蛋白进行检测，检测范围可分别达到 500 fg/mL～50 ng/mL 和 50 fg/mL～10 ng/mL[21]。另一种方法是使用非实时检测的手段来替代实时检测，通过检测抗原抗体结合前后的电学信号变化情况来计算目标分子的浓度[22]。这种方法不受样品溶液离子强度的影响，从而避免了德拜屏蔽效应。但是，背景电流变化的影响并没有去除，同时不同的处理步骤可能对器件的性能产生影响。其它的方法包括使用抗体片段以缩短目标分子到硅纳米线表面的距离[23]，或在硅纳米线场效应传感器表面覆盖生物分子渗透性聚合物层以隔离离子对检测信号的影响[24]。
为克服硅纳米线场效应管电学器件在生理状态下长期稳定性的难题，在传感器表面覆盖 Al2O3 薄层，其检测性能在 37℃ 生理性溶液中能够保持长期稳定（>4 个月）。硅纳米线生物传感器表面覆盖 Al2O3/HfO2 层能够延长器件在活体内的稳定性，最高可达到一年[25]。这些研究结果表明硅纳米线生物传感器具有用于细胞内、动物体内和植入物中长期监测的潜在价值。
3 提高 SiNWs-FET 传感器灵敏度的方法
3.1 降低硅纳米线的直径
硅纳米线场效应管传感器的灵敏度与硅纳米线的尺寸密切相关，硅纳米线的比表面积要远大于微米级尺寸的器件，这是由于直径较大的硅纳米线表面与带电荷的分子结合时，反型的电荷主要集中在硅纳米线的表面，硅纳米线的内部并未对电流产生贡献。当硅纳米线的尺寸减小时，硅纳米线的比表面积急剧增大，能够在硅纳米线内部形成反型电子，这将使致硅纳米线的电导显著提高，从而增强器件的灵敏度[26]。
3.2 硅纳米线微结构用于增强分子捕获的效率
硅纳米线上增加微结构如纳米颗粒能大幅增加纳米线的比表面积、增强传感器捕捉信号的效率和提高器件的灵敏度。Chen 等[27]使用壳核结构的磁性纳米颗粒连接到硅纳米线上，经特异性探针修饰的 n 型硅纳米线检测血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），并用其检测了血清样本，大大提高了其用于临床检测肿瘤标记物的潜力。
3.3 降低德拜屏蔽效应
场效应管生物传感器通过检测目标分子所携带的电荷量来检测其浓度，但由于德拜屏蔽效应的存在，溶液中离子强度越高德拜屏蔽效应越强（德拜长度与离子强度的平方根呈反比）。如 1×磷酸盐缓冲液（phosphate buffered saline，PBS）的德拜长度约 0.7 nm，这时，在传感器表面结合的大部分抗原的电荷将会被屏蔽。为了减少德拜屏蔽效应，通过稀释缓冲液、降低离子的浓度能够显著增加德拜长度[28]。Cheng 等[23]通过制备抗体片段探针以缩短传感器表面与目标分子的距离，提高了检测灵敏度。但是，抗体片段的尺寸接近 1 nm，如何突破在血清或血浆中检测的限制（德拜长度<1 nm）还需要进一步的研究。Gao 等[24]研究出一种新的方法来克服硅纳米线场效应管传感器的这一问题。通过在硅纳米线表面结合渗透性聚合物生物分子层，如聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG），能够增加传感器表面的有效屏蔽长度。对 PSA 的检测中，覆盖 PEG 的硅纳米线场效应管能够在 150 mmol/L 浓度的 PBS 缓冲液中检测 PSA 浓度，线性响应区间在 10～1 000 nmol/L，而未结合 PEG 分子层的器件检测的缓冲液离子浓度只能在 10 nmol/L。这种方法能够在血清中应用，对于生物检测具有至关重要的作用。
3.4 双栅极硅纳米线场效应管传感器
为了达到硅纳米线场效应管传感器高灵敏度的要求，使用自上而下的光刻技术能够制备具有两个独立栅极的纳米线场效应管生物传感器。两个栅极分跨在硅纳米线的两侧来增强器件的灵敏度[29]。与单栅极场效应管传感器相比，双栅极场效应管检测灵敏度的增加非常明显，尤其是在亚阈值电压区域。
4 展望
纳米线场效应管生物传感器已经发展了多年，优点非常突出，但仍未得到实际的应用，其原因主要有以下几个方面。首先是对单个传感器表面探针表征的困难，cyro-EM 方法有望解决这一难题，这项技术能够了解有机/生物/纳米器件之间的结构信息[30-31]。其次，在生理溶液（血液/血清样本）中检测，由于德拜屏蔽效应的存在导致硅纳米线生物传感器的灵敏度下降，这一最关键的问题有望通过渗透性聚合物分子层来克服。最后，几乎所有的硅纳米线场效应管生物传感器都是表面结合器件，而探测细胞内信号也是医学研究的重要方面。最近有研究将硅纳米线场效应管用于检测细胞内的电荷变化，器件直接植入活体组织，可实现直接检测细胞内的目标分子[31]。
未来，为了实现硅纳米线生物传感器的临床应用，需要进一步发展现有技术，利用基因组学和蛋白质组学的相关信息来促进肿瘤等复杂疾病的诊断和治疗。硅纳米线场效应管传感器具有高灵敏度、高选择性、特异性、快速实时检测和免于标记等优点，这些优势是纳米技术在医学中的重要应用，并且能够促进医学研究和临床工作不断进步。