用于肺癌生物标志物超灵敏检测的基于Mg2Si源的SOI异质结TFET纳米腔生物传感器

《IEEE Nanotechnology Magazine》：Mg2Si Source-Based SOI Heterojunction TFET Biosensor With Nanocavity for Ultrasensitive Detection of Lung Cancer Biomarkers

　　摘要：在本工作中，首次提出了一种基于绝缘体上硅（SOI）的异质结隧道场效应晶体管（SOI-HJ-TFET）纳米腔生物传感器，用于检测关键肺癌生物标志物，即癌胚抗原（CEA）、细胞角蛋白 -19 片段 21-1（CYFRA 21-1）和神经元特异性烯醇化酶（NSE）。所提出的器件利用了低带隙硅化镁（Mg?Si）源来增强带间隧穿，从而提高灵敏度。纳米腔通过 APTES-戊二醛基质进行功能化，以固定生物标志物分子。检测方法采用电荷扣除方法，其中生物标志物浓度被转换为等效界面电荷，从而调节器件的电气特性。使用经过校准的 SILVACO ATLAS TCAD 仿真，评估了器件在非肿瘤（NTG）和肿瘤（TG）细胞浓度下的性能。结果表明，由于较高的负等效界面电荷，癌细胞的存在导致漏极电流、电子浓度和带间隧穿率显著降低。该生物传感器表现出高逆灵敏度，对于 TG CYFRA 21-1 细胞，值高达 12×103。关键性能指标，包括亚阈值摆幅（ΔSS 高达 203 mV/decade）和阈值电压（ΔVT 高达 637 mV）的变化，分别在健康与癌变 CEA 和 CYFRA 21-1 细胞之间提供了清晰的区分。此外，传感时间分析显示响应迅速，范围从纳秒到微秒，使该器件适用于实时生物传感。所提出的 SOI-HJ-TFET 生物传感器表现出高逆灵敏度、快速响应和强逆选择性，特别是对于 CYFRA 21-1，表明其在即时诊断平台中高效检测早期肺癌的潜力。