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生化传感器是指能够响应生物化学量,并按照一定规律将其转换为可测量的物理信号的器件或装置。
随着对生物技术、生命科学以及环境检测等与人类健康相关领域的重视,人们对生化传感器的需求也越来越多,各种生化传感器的研究成为了近期传感器研究的热点。
目前生化传感器的发展趋势主要集中在全固态化、微型化、集成化、多功能化、智能化以及高灵敏度、高选择性和高稳定性等方面。
通过博士期间的学习和研究工作,我们了解到ISFET(InsulatorSemiconductor Field Effect Transistor)型传感器具有微型化、集成化、全固态等优势；纳米材料具有尺寸效应和量子效应以及特殊的光、电、热、磁等性能,为新型生化传感器的研制提供了新的结构、原理和方法,为提高生化传感器的性能提供了新的研究方向。
本文结合半导体场效应(ISFET型转换器)和纳米材料的优势,研究并设计了两种用于液体中生化量检测的微纳半导体生化传感器：
1、利用p型半导体氧化物NiO在室温下对CO2的敏感特性,基于碳糊成膜的方法,将PtoNiO混合敏感膜固定在ISFET转换器的表面,首次研制成ISFET型全固态溶解CO2传感器。
论文探讨了NiO对溶解CO2的响应机制与吸附模型以及如何引起传感器阈值电压的变化；在理论分析基础上,研制了ISFET转换器,并将Pt-NiO混合敏感膜固定在转换器表面,制成了溶解CO2传感器；利用自制的测试系统,对传感器的特性进行了测量。实验得到的传感器输出电压与溶解CO2浓度的对数呈线性变化关系,响应灵敏度达到112.9mV/decade。
2、利用量子点(半导体纳米颗粒)的光学特性以及量子点与金电极之间的宏观量子隧穿效应,尝试多种自组装和修饰方法,将量子点与金电极结合,研制了一种全新的量子点生化传感器。
论文讨论了在光激发后量子点与金电极之间通过宏观量子隧穿效应形成光电流的理论模型,分析了表面态对光电流的影响,并根据大量的实验结果对现有模型进行了修正和改进：在理论研究的基础上,尝试不同的自组装方法和自组装材料研制出量子点生化传感器芯片；基于锁相放大器和电位仪,搭建了光电化学测量系统,对制作的传感器芯片进行了多种测量。通过对大量实验数据的分析,得到了不同量子点、偏置电压、光强、表面态等因素对量子点生化传感器输出光电流的影响规律；利用研制的量子点生化传感器测量了化学量Fe(Ⅱ,Ⅲ),并首次利用CdS-FePt量子点修饰的金电极测量了生物量H2O2。结果表明,传感器的光电流幅度均随着被测物浓度的增加而增大。
实验结果证明了所研制的两种半导体生化传感器的可行性,同时也验证了理论模型的正确性。研制的传感器均具有全固态、微型化、高灵敏度、高通量等特点,所得实验结果为今后这一课题的深入研究奠定了良好的基础。