内容简介
《半导体器件传感器在气体、化学和生物医学方面的应用》是一本全面深入探讨半导体传感器在气体、化学和生物医学领域应用的书籍。它从基本原理和不同类型传感器的工作机制讲起，覆盖了金属氧化物半导体传感器和场效应晶体管传感器等类型，并详细讨论了这些传感器在氧气、一氧化碳、甲烷检测，环境监测，食品安全，以及医疗诊断和生物分子检测中的应用。《半导体器件传感器在气体、化学和生物医学方面的应用》还介绍了传感器技术的*新进展，如小型化、集成化和智能化，并提供了丰富的实际应用案例，旨在为学者、研究人员和工程师在理论知识与实践应用之间搭建桥梁。
精彩书摘
第1章 用于直接监测神经细胞对抑制剂反应的AlGaN/GaN传感器
Irina Cimalla
伊尔梅瑙工业大学，微纳米技术研究所，德国伊尔梅瑙
MichaelGebinoga
伊尔梅瑙工业大学，微纳米技术研究所，德国伊尔梅瑙
Andreas Schober
伊尔梅瑙工业大学，微纳米技术研究所，德国伊尔梅瑙
Vladimir Polyakov
弗劳恩霍夫应用固体物理研究所，德国弗莱堡
Vadim Lebedev
弗劳恩霍夫应用固体物理研究所，德国弗莱堡
Volker Cimalla
弗劳恩霍夫应用固体物理研究所，德国弗莱堡
1.1 引言
哺乳动物的神经细胞是所有生物体中*精密、*复杂的信号传递和处理系统之一。许多疾病，如阿尔茨海默病和帕金森病或肌萎缩侧索硬化，成因都是神经细胞的紊乱。研究神经细胞在神经抑制剂或镇痛剂等应激物诱导下发生生理变化的机制，是了解此类神经疾病信息的一种方法，并为开发治疗方案开辟了道路。然而，开发有效治疗这类疾病的新药是一个漫长的过程，其**步往往是研发一种新的酶抑制剂。过去，识别这种新型抑制剂的唯一方法是遵循“试错”原则：针对目标酶筛选庞大的化合物库，并研究其反应以获取有效信息。这种“蛮力”方法在某种程度上是可行的，甚至扩展了组合化学方法和高通量筛选技术，以快速生产大量新型化合物、筛选庞大化合物库中的有用抑制剂。然而，尽管在环境保护、毒理学和药物开发领域对高通量功能筛选方法的需求不断增加[1-5]，但这些方法在细胞测量方面还不够有效[3，5，6]。
在药理学中，研究特定化合物的副作用是很重要的。因此，有必要在整个有机体层面应用复杂的功能测试[7，8]。要评估可能成为药物的化学物质的整体毒性，使用生物传感器对功能细胞进行研究可能比纯物理化学方法更有效[9]。近年来，全细胞生物传感器在毒素检测、药物筛选和细胞动作电位记录方面的应用，已经从学术原理发展为一种被广泛接受的方法[9-19]。早在20世纪50年代初，Hodgkin和Huxley就通过精心设计玻璃微电极刺入细胞膜来研究单个细胞的电学特性，通过这种方法记录了神经元细胞的动作电位，并证明了电压门控离子沟道的存在[20]。20多年后(1976年)，Neher和Sakmann进一步改进了这种方法，开发了膜片钳技术[21]。实验中，玻璃电极被放置在靠近细胞膜的地方，与细胞内部建立低阻抗电接触[22]。利用这种全细胞结构，可以研究细胞膜上的电压门控离子沟道组合，甚至细胞膜上单个离子沟道的功能。然而，这种在医学、药学和生理学研究中被广泛接受的新方法也有一些缺点。膜片钳法操作复杂，具有侵入性，而且在测量后会破坏细胞。此外，这种方法仅限于同时观察几个细胞。同时因为在膜片钳测量期间，细胞会受到很大的应力，因此不能进行长达几个小时的观察。
在开发膜片钳系统的同时，1972年，Thomas等[23]设计了一种平面微电极阵列，用于记录体外培养细胞的胞外电活性；在图案光阻钝化的玻璃基板上构建已知间距和尺寸的镀金镍电极；一个玻璃环用蜡固定在基板上，形成一个培养室。许多研究人员对Thomas等的技术稍加改进，利用微电极阵列在不同条件下检测了多种类型的细胞。在这种模式下，1977年，Gross等[24]*次记录了外植神经组织的胞外电反应。仅仅几年后(1980年)，Pine提议将已开发的两种方法相结合：将玻璃微管插入细胞膜和微电极阵列，以便同时记录细胞内和细胞外的信号[25]。这是一个重要的同步实验，既验证了细胞外技术，又校准了记录的细胞外信号，以便与文献中关于细胞内记录的大量数据进行比较。Pine*次用SiO2取代有机光刻胶钝化层，以便使用标准的硅芯片加工技术。基于前文提到的结构和技术，多年来，许多科研小组持续对培养细胞及多类型细胞进行研究[26-30]。
1991年，Fromherz等[12]利用集成场效应晶体管(FET)代替以前使用的裸金属电极作为传感元件，开创了生物传感的新纪元。人工将单个离体细胞置于晶体管上以记录胞外信号。将玻璃微管插入细胞膜，用于刺激细胞和监测细胞内电压。后来，Fromherz等使用类似的系统，利用放置在神经元下方的晶体管阵列[31]以及通过薄氧化层对神经元的电容刺激，探索了神经元-硅交界处的物理特性[32]。
基本的传感元件是由Bergveld于1970年[33]提出的pH敏感场效应晶体管，由此引发了大量有关基于成熟硅技术的离子敏感场效应晶体管(ISFET)研究刊物的出版。Bergveld[34]对其发展历程进行了概述，强调其未来的挑战和机遇。硅基生物传感ISFET(BioFET)的进一步分类如图1.1所示。
尽管这些基于硅技术的器件前景广阔、实验效果显著、有利于大规模生产，但是损害了器件的长期化学稳定性，从而限制了实际应用[37]。因此，研究人员致力于开发新的功能性和钝化表面层，但尚未取得令人满意的结果，也未将BioFET应用于商业器件。
21世纪初，一种基于Ⅲ族氮化物(GaN、AlN及合金)的新型ISFE
目录
目录
作者
贡献者名单
前言
第1章 用于直接监测神经细胞对抑制剂反应的AlGaN/GaN传感器 1
1.1 引言 1
1.2 AlGaN场效应传感器 3
1.3 AlGaN/GaN传感器的制备与表征 7
1.3.1 异质结构的生长 7
1.3.2 传感器工艺 8
1.3.3 AlGaN/GaN异质结构的电学特性分析 10
1.3.4 器件加工技术对表面和传感器性能的影响 11
1.3.5 传感器的生物相容性 12
1.4 测量条件 14
1.4.1 缓冲溶液 14
1.4.2 表征设置 14
1.4.3 噪声和漂移 15
1.4.4 基于细胞的传感器——CPFET 16
1.4.5 NG 108-15神经细胞系 18
1.4.6 神经递质——乙酰胆碱 18
1.4.7 神经抑制剂 20
1.4.8 细胞培养基 20
1.5 与AlGaN/GaN ISFET的细胞耦合 22
1.5.1 传感器预处理 22
1.5.2 传感器对有/无细胞的细胞培养基中pH变化的响应 24
1.5.3 AlGaN/GaN ISFET对离子的敏感性 25
1.5.4 AlGaN/GaN ISFET对抑制剂的敏感性 26
1.6 细胞外信号的记录 28
1.6.1 对SCZ缓冲液中单一抑制剂的响应 28
1.6.2 对DMEM中单一抑制剂的响应 31
1.6.3 传感器对不同神经毒素的响应 33
1.7 传感器信号模拟 35
1.7.1 利用位点结合模型对异质结构进行自洽模拟 35
1.7.2 裂隙中离子通量的估计 38
1.8 总结 40
致谢 41
参考文献 41
第2章 宽禁带半导体生物和气体传感器的*新进展 47
2.1 引言 47
2.2 气体传感 49
2.2.1 氧气传感 49
2.2.2 CO2传感 51
2.2.3 C2H4传感 53
2.3 传感器功能化 55
2.4 pH测量 58
2.5 呼出气体冷凝物 61
2.6 重金属检测 62
2.7 生物毒素传感器 67
2.8 生物医学应用 70
2.8.1 呼出气体冷凝物中的pH传感器 70
2.8.2 葡萄糖传感 74
2.8.3 前列腺癌检测 77
2.8.4 肾损伤分子检测 79
2.8.5 乳腺癌 80
2.8.6 乳酸 83
2.8.7 氯离子检测 84
2.8.8 压力传感器 87
2.8.9 创伤性脑损伤 88
2.9 内分泌干扰素暴露水平测量 90
2.10 无线传感器 92
2.11 总结和结论 94
致谢 96
参考文献 96
第3章 氢气传感器技术的进展及其在无线传感器网络中的应用 108
3.1 引言 108
3.2 基于肖特基二极管的AlGaN/GaN HEMT氢气传感器 109
3.2.1 基于肖特基二极管的氢气传感器 109
3.2.2 TiB2欧姆接触 115
3.2.3 湿度对氢气传感器的影响 115
3.2.4 差分传感器 117
3.3 GaN肖特基二极管传感器 120
3.3.1 N极和Ga极的比较 120
3.3.2 W/Pt接触GaN肖特基二极管 124
3.4 纳米结构宽带隙材料 125
3.4.1 基于ZnO纳米棒的氢气传感器 126
3.4.2 GaN纳米线 130
3.4.3 InN纳米带 131
3.4.4 单根ZnO纳米线 132
3.5 SiC肖特基二极管氢气传感器 134
3.6 无线传感器网络的开发 135
3.6.1 传感器模块 135
3.6.2 现场测试 137
3.7 总结 139
致谢 140
参考文献 140
第4章 氮化铟基化学传感器 148
4.1 引言 148
4.2 InN的表面特性 149
4.2.1 电子特性 149
4.2.2 化学敏感的特性 150
4.3 InN基化学传感器的开发 150
4.3.1 离子选择电极 150
4.3.2 离子敏感场效应晶体管 153
4.4 总结 163
致谢 163
参考文献 163
第5章 氧化锌薄膜及纳米线传感器的应用 166
5.1 引言 166
5.2 ZnO的基本特性 166
5.3 ZnO掺杂 168
5.4 离子注入 171
5.5 ZnO的刻蚀 172
5.6 欧 姆 接 触 174
5.7 肖特基接触 177
5.8 氢在ZnO中的性质 181
5.8.1 质子注入 181
5.8.2 氢等离子体接触 185
5.9 ZnO中的铁磁性 188
5.9.1 半导体中的铁磁性 189
5.9.2 ZnO的自旋极化 191
5.9.3 纳米棒 196
5.9.4 Mn和Cu共注入体型ZnO的特性 198
5.10 氧化锌薄膜气体传感器 200
5.10.1 乙烯传感技术 200
5.10.2 CO传感技术 202
5.11 ZnO纳米棒的传输 205
5.12 ZnO纳米线肖特基二极管 208
5.13 ZnO纳米线场效应晶体管 210
5.14 紫外纳米线光电探测器 213
5.15 气体和化学传感器 215
5.15.1 ZnO纳米线的氢气传感 216
5.15.2 臭氧传感 220
5.15.3 pH响应 221
5.16 生物传感 225
5.16.1 ZnO的表面修饰 225
5.16.2 利用蛋白质固定化技术进行单个病毒的超灵敏检测 226
5.16.3 核酸在纳米线上的固定化用于基因和mRNA的生物
试读
第1章 用于直接监测神经细胞对抑制剂反应的AlGaN/GaN传感器
Irina Cimalla
伊尔梅瑙工业大学，微纳米技术研究所，德国伊尔梅瑙
MichaelGebinoga
伊尔梅瑙工业大学，微纳米技术研究所，德国伊尔梅瑙
Andreas Schober
伊尔梅瑙工业大学，微纳米技术研究所，德国伊尔梅瑙
Vladimir Polyakov
弗劳恩霍夫应用固体物理研究所，德国弗莱堡
Vadim Lebedev
弗劳恩霍夫应用固体物理研究所，德国弗莱堡
Volker Cimalla
弗劳恩霍夫应用固体物理研究所，德国弗莱堡
1.1 引言
哺乳动物的神经细胞是所有生物体中*精密、*复杂的信号传递和处理系统之一。许多疾病，如阿尔茨海默病和帕金森病或肌萎缩侧索硬化，成因都是神经细胞的紊乱。研究神经细胞在神经抑制剂或镇痛剂等应激物诱导下发生生理变化的机制，是了解此类神经疾病信息的一种方法，并为开发治疗方案开辟了道路。然而，开发有效治疗这类疾病的新药是一个漫长的过程，其**步往往是研发一种新的酶抑制剂。过去，识别这种新型抑制剂的唯一方法是遵循“试错”原则：针对目标酶筛选庞大的化合物库，并研究其反应以获取有效信息。这种“蛮力”方法在某种程度上是可行的，甚至扩展了组合化学方法和高通量筛选技术，以快速生产大量新型化合物、筛选庞大化合物库中的有用抑制剂。然而，尽管在环境保护、毒理学和药物开发领域对高通量功能筛选方法的需求不断增加[1-5]，但这些方法在细胞测量方面还不够有效[3，5，6]。
在药理学中，研究特定化合物的副作用是很重要的。因此，有必要在整个有机体层面应用复杂的功能测试[7，8]。要评估可能成为药物的化学物质的整体毒性，使用生物传感器对功能细胞进行研究可能比纯物理化学方法更有效[9]。近年来，全细胞生物传感器在毒素检测、药物筛选和细胞动作电位记录方面的应用，已经从学术原理发展为一种被广泛接受的方法[9-19]。早在20世纪50年代初，Hodgkin和Huxley就通过精心设计玻璃微电极刺入细胞膜来研究单个细胞的电学特性，通过这种方法记录了神经元细胞的动作电位，并证明了电压门控离子沟道的存在[20]。20多年后(1976年)，Neher和Sakmann进一步改进了这种方法，开发了膜片钳技术[21]。实验中，玻璃电极被放置在靠近细胞膜的地方，与细胞内部建立低阻抗电接触[22]。利用这种全细胞结构，可以研究细胞膜上的电压门控离子沟道组合，甚至细胞膜上单个离子沟道的功能。然而，这种在医学、药学和生理学研究中被广泛接受的新方法也有一些缺点。膜片钳法操作复杂，具有侵入性，而且在测量后会破坏细胞。此外，这种方法仅限于同时观察几个细胞。同时因为在膜片钳测量期间，细胞会受到很大的应力，因此不能进行长达几个小时的观察。
在开发膜片钳系统的同时，1972年，Thomas等[23]设计了一种平面微电极阵列，用于记录体外培养细胞的胞外电活性；在图案光阻钝化的玻璃基板上构建已知间距和尺寸的镀金镍电极；一个玻璃环用蜡固定在基板上，形成一个培养室。许多研究人员对Thomas等的技术稍加改进，利用微电极阵列在不同条件下检测了多种类型的细胞。在这种模式下，1977年，Gross等[24]*次记录了外植神经组织的胞外电反应。仅仅几年后(1980年)，Pine提议将已开发的两种方法相结合：将玻璃微管插入细胞膜和微电极阵列，以便同时记录细胞内和细胞外的信号[25]。这是一个重要的同步实验，既验证了细胞外技术，又校准了记录的细胞外信号，以便与文献中关于细胞内记录的大量数据进行比较。Pine*次用SiO2取代有机光刻胶钝化层，以便使用标准的硅芯片加工技术。基于前文提到的结构和技术，多年来，许多科研小组持续对培养细胞及多类型细胞进行研究[26-30]。
1991年，Fromherz等[12]利用集成场效应晶体管(FET)代替以前使用的裸金属电极作为传感元件，开创了生物传感的新纪元。人工将单个离体细胞置于晶体管上以记录胞外信号。将玻璃微管插入细胞膜，用于刺激细胞和监测细胞内电压。后来，Fromherz等使用类似的系统，利用放置在神经元下方的晶体管阵列[31]以及通过薄氧化层对神经元的电容刺激，探索了神经元-硅交界处的物理特性[32]。
基本的传感元件是由Bergveld于1970年[33]提出的pH敏感场效应晶体管，由此引发了大量有关基于成熟硅技术的离子敏感场效应晶体管(ISFET)研究刊物的出版。Bergveld[34]对其发展历程进行了概述，强调其未来的挑战和机遇。硅基生物传感ISFET(BioFET)的进一步分类如图1.1所示。
尽管这些基于硅技术的器件前景广阔、实验效果显著、有利于大规模生产，但是损害了器件的长期化学稳定性，从而限制了实际应用[37]。因此，研究人员致力于开发新的功能性和钝化表面层，但尚未取得令人满意的结果，也未将BioFET应用于商业器件。
21世纪初，一种基于Ⅲ族氮化物(GaN、AlN及合金)的新型ISFE
