使用金/多孔硅/n型硅肖特基二极管作为非酶促葡萄糖传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：The use of gold/porous silicon/n-silicon Schottky diodes as non-enzymatic glucose sensors

非酶法葡萄糖传感器基于Au/PS/n-Si肖特基二极管结构研制，通过电磁阳极氧化制备高比表面积多孔硅层，优化金电极厚度与PS层厚度，实现葡萄糖浓度与短路电流密度的高线性关系（R2>0.99），检测限58 μM，灵敏度36.6 nA·cm?2·(mg/dl)?1，无需外部电源即可工作。实验结合CV和EIS证实其电化学机制，验证了PS基肖特基二极管在无外部电源条件下的实用化血糖检测潜力。

　　

阿斯利·阿尔斯兰（Asli Arslan）| 苏雷雅·阿丁·尤克塞尔（Süreyya Aydin Yuksel）

土耳其伊斯坦布尔Yildiz技术大学物理系，邮编34220

摘要

近年来，非酶促葡萄糖传感器的研究日益活跃。基于硅的葡萄糖传感器因其与微机电系统（MEMS）的兼容性而受到关注。在本研究中，我们采用高掺杂的n型硅（n-Si）衬底、通过电磁阳极氧化法制备的绝缘多孔硅（PS）层，以及具有葡萄糖催化作用的金（Au）作为金属电极层，制备了一种非酶促葡萄糖传感器。研究了PS层和Au层厚度对传感器葡萄糖灵敏度的影响，并对其进行了优化。与现有文献不同，我们的传感器在室温下无需外部电源即可像燃料电池一样工作，并且生成的电短路电流密度（J_sc）与开路电压（V_oc）之间存在高度线性关系，这种关系可通过调节肖特基二极管势垒高度来控制。通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）测量验证了这种基于电解质的肖特基非酶促传感器的电化学工作原理。该传感器具有58 μM的低检测限和36.6 nA.cm?2 (mg/dl)?1的灵敏度，表明其可用于实际生物应用中的葡萄糖检测。

引言

糖尿病是一种在全球范围内普遍存在的慢性疾病，对人类健康构成严重威胁。当身体无法产生足够的胰岛素或对胰岛素产生抵抗时，就会发生糖尿病[1]。根据世界卫生组织的数据，糖尿病患者人数可能迅速增加到4亿以上[2],[3]。葡萄糖对人体代谢至关重要，也是糖尿病治疗的关键因素。当血液中的葡萄糖水平低于70 mg/dl时称为低血糖，高于200 mg/dl时称为高血糖[4]。如果血糖水平得不到控制，会导致长期并发症，如眼病、肾脏问题和心血管疾病[5]。因此，持续监测血糖水平对于控制糖尿病并发症至关重要[6]。为此，许多研究人员致力于开发高灵敏度、高选择性和经济实惠的生物传感器，以实现快速准确的糖尿病患者血糖监测[6],[7],[8],[9],[10]。生物传感器被定义为一种集成分析装置，能够在特定目标分析物存在的情况下分析生物样本[11],[12]。用于检测葡萄糖水平的生物传感器基于测定葡萄糖或胰岛素等基本指标的原理[13]。近年来，对葡萄糖监测的需求显著增加。基于电化学方法的生物传感器在检测葡萄糖方面尤为有效，这些传感器包括酶促和非酶促类型。现有的大多数电化学生物传感器都是酶促系统，其原理是将葡萄糖氧化酶（GOx）固定在电极表面并催化其反应[14],[15]。尽管基于酶的葡萄糖传感器具有广泛的应用前景，但这种方法存在GOx稳定性问题、受环境因素影响的酶保质期以及成本问题[16]。因此，人们开发了基于直接氧化或还原葡萄糖的非酶促葡萄糖传感器[17],[18],[19]。通过增加电极表面积，可以使传感器具有更高的灵敏度和选择性，从而允许更多葡萄糖与电极表面直接接触。因此，铂（Pt）、镍（Ni）、银（Ag）、锌（Zn）和金（Au）等贵金属被广泛用于葡萄糖传感器[17],[20],[21],[22],[23],[24]。

多孔硅（PS）近年来作为一种有效的生物传感器材料受到青睐，因其具有高表面积/体积比[25]、生物相容性[26],[27]和成本效益[28]。同时，其易于制备的结构形态[29],[30]与半导体制造技术高度兼容[31],[32],[33]。PS结构的电学性能在相关研究中起着重要作用[33],[34],[35],[36],[37],[38],[39],[40]。具有良好催化效果的金属、金属氧化物结构和非酶促传感器在葡萄糖检测中表现出高选择性[41],[42],[43],[44],[45]。此外，还开发了基于金属/PS/Si/金属结构的二极管用于生物传感[38],[46]。在所提出的基于PS的生物传感器中，通过选择适当的阳极氧化条件，孔径大小可以在几纳米（nm）到几十纳米之间调节，从而获得微孔和宏观多孔结构。此外，与离子敏感晶体管不同，使用PS不需要对传感器芯片进行额外的表面处理以实现生物分子的共价键合[47]。在纳米和宏观PS样品中研究了葡萄糖传感能力。实验表明，在纳米PS层中高葡萄糖浓度时灵敏度更高，而在宏观PS层中低葡萄糖浓度时灵敏度更高[48],[49],[50],[51],[52]。在基于金属/PS/Si/金属结构的半导体传感器中，低浓度葡萄糖分子的吸附会增加纳米PS层的导电性，从而有助于检测低血糖和高血糖。尽管酶促葡萄糖传感器应用广泛，但它们的缺点包括GOx的稳定性问题、受环境因素影响的酶寿命以及成本问题[16]。因此，人们开发了基于葡萄糖直接氧化或还原的非酶促葡萄糖传感器[17],[18],[19]。通过增加电极表面积，可以提高传感器的灵敏度和选择性。因此，铂（Pt）、镍（Ni）、银（Ag）、锌（Zn）和金（Au）等贵金属被广泛用于葡萄糖传感器[17],[20],[21],[22],[23],[24]。

近年来，多孔硅（PS）因其高表面积/体积比[25]、生物相容性[26],[27]和成本效益[28]而受到青睐。同时，其易于制备的结构形态[29],[30]与半导体制造技术高度兼容[31],[32],[33]。PS结构的电学性能在相关研究中起着重要作用[33],[34],[35],[36],[37],[38],[39],[40]。具有良好催化效果的金属、金属氧化物结构和非酶促传感器在葡萄糖检测中表现出高选择性[41],[42],[43],[44],[45]。此外，还开发了基于金属/PS/Si/金属结构的二极管用于生物传感[38],[46]。在所提出的基于PS的生物传感器中，通过选择适当的阳极氧化条件，孔径大小可以在几纳米到几十纳米之间调节。这样既可以获得微孔结构，也可以获得宏观多孔结构。另外，研究发现，与离子敏感晶体管不同，使用PS不需要对传感器芯片进行额外的表面处理以实现生物分子的共价键合[47]。在纳米和宏观PS样品中研究了葡萄糖传感能力。表面功能化实验表明，纳米PS层在高葡萄糖浓度下表现出更好的灵敏度，而宏观PS层在低葡萄糖浓度下更敏感[48],[49],[50],[51],[52]。在基于金属/PS/Si/金属结构的半导体传感器中，低浓度葡萄糖分子的吸附会增加纳米PS层的导电性，从而有助于检测低血糖和高血糖。最近，非酶促葡萄糖传感器因其高效性和高灵敏度而成为主流技术。在具有非酶促纳米和宏观PS层的金属/PS/Si/金属结构中，电流-电压（I-V）测量显示了二极管的整流特性。此外，在1伏、3伏和5伏的电压下，二极管的纵向和横向导电性会根据葡萄糖的存在与否而显著变化[38]。基于PS的二极管结构的电学特性表现为整流器和欧姆行为的结合。据称这种结构可以用于检测不同的葡萄糖浓度，并且可以在负电压或正电压下工作[53]。

在我们的研究中，我们展示了基于Au/PS/n-Si结的非酶促燃料电池型葡萄糖传感器的应用，并尝试从二极管参数变化的角度解释PS层和Au厚度对葡萄糖灵敏度的影响。与现有文献不同，我们的工作首次提出了无需外部电源即可使用基于PS的二极管作为葡萄糖传感器。

部分内容摘要

PS/n-Si结构的制备

为了在单晶n型硅（n-Si，电阻率为2 × 10^?2 Ωcm，取向的表面上制备PS结构，使用了图1所示的阳极氧化装置。阳极氧化前，使用标准RCA程序对n-Si进行清洗。然后在电化学阳极氧化过程中，使用15 mA/cm²的恒定电流密度，在n-Si阳极和Pt阴极之间，在1:3:1（%48HF:甲醇:dH₂O）电解质中制备了PS层。

PS结构的物理性质

图3展示了在不同阳极氧化时间下制备在n-Si表面的PS结构的顶视图和横截面图的较高倍率（5.00 K X和10.00 K X）扫描电子显微镜（SEM）图像。观察到阳极氧化在晶体硅表面形成了微米级的孔隙，这些孔隙周围环绕着海绵状岛屿状区域（PS2）。随着阳极氧化时间的延长（图3(a)至3(d)），孔隙逐渐扩大，而岛屿状区域变得更为清晰但不那么明显。

结论

本文首次提出了在室温条件下使用Au/PS/n-Si肖特基二极管作为基于燃料电池的葡萄糖传感器。研究发现，Au(700 nm)/PS(10 μm)/n-Si二极管的势垒高度可以检测50–500 mg/dl的宽葡萄糖浓度范围，并且与D-G溶液浓度之间存在高度线性关系，J_sc每增加1 mg/dl会增加36.6 nA/cm²。在我们最有效的传感器中，使用了700 nm厚的Au催化层和10 μm厚的

CRediT作者贡献声明

阿斯利·阿尔斯兰（Asli Arslan）：撰写原始稿件、数据可视化、软件开发、实验设计、数据管理。苏雷雅·阿丁·尤克塞尔（Süreyya Aydin Yuksel）：审稿与编辑、撰写原始稿件、验证结果、项目监督、资源协调、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系

致谢

本研究得到了Yildiz技术大学科学研究项目协调单元的支持（项目编号：FDK-2024-6247）。我们感谢Ahmet Alt?ndal教授和?nder Yarg?教授允许我们使用他们的实验室设施。

阿斯利·阿尔斯兰（Asli ARSLAN）在帕穆卡莱大学（Pamukkale University）获得物理学学士学位，在米马尔·西纳安美术学院（Mimar Sinan Fine Arts University）获得物理学硕士学位。她目前在Y?ld?z技术大学物理系攻读博士学位，并在伊斯坦布尔Atlas大学职业学院担任讲师。