痕量检测用"电子ELISA"AlGaN/GaN HEMT 生化传感器研究

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AI项目解读

基本信息

项目摘要

With the need for rapid detection of biomolecular analytes in the life sciences and medicine, the research community has made great progress in developing microscale and nanoscale sensors for many biological applications. Among a variety of sensors, field effect transistors (FETs) based devices are ideal biochemicalsensors that can directly convert interactions of biomarker to electrical signals for low cost, rapid, label free, and sensitive detection. Si-based MOSFETs have the great advantage of compatibility to the current microelectronic manufacturing processes, but suffer from current drift due to ion diffusion into the gate oxide layer, making them difficult to detect target analytes at low concentrations in physiological buffers or fluids with high ionic strengths. III-nitride semiconductors have attracted considerable interests for biosensor applications due to their unique properties, such as chemical inertness, non-toxicity, and thermal stability. Especially, III-nitrides FETs are ion-impermeable and highly stable in electrolytic solutions, making them ideal for detection at ultralow concentration in fluids with high ionic strengths. In this project, we developed an “Electronic ELISA” AlGaN/GaN HEMT biochemical sensor for trace detection. Our main work focus on investigation of sensing approaches to fabricate high performance portable sensors with high sensitivity and fast response. The sensor mechanism and technology was systematically researched. Factors influencing the capability of the “Electronic ELISA” AlGaN/GaN HEMT biochemical sensor were analyzed. The simulation of the response of the “Electronic ELISA” AlGaN/GaN HEMT will be discussed. The effect of molecular charge screening by dissolved solution counterions, Debye screening, on sensor response was demonstrated. This is a critical consideration for designing optimal protocols for label-free sensing using AlGaN/GaN HEMT biochemical sensor. A highly sensitive intensity interrogation scheme using “Linker molecule- gold nanoparticle (Au NP)” complexes was also proposed and demonstrated. Physics, Chemistry, Materials, and Microelectronics are involved and mainly deal with the devices people are most interested in. We expect that this unique “Electronic ELISA” AlGaN/GaN HEMT sensor would find its potential applications in various fields.
本项目以微/纳传感器在生物医学、环境监测等领域的痕量现场快速应用为研究背景,以提高传感器自身性能为研究目标,首次提出开展高灵敏度电子酶联免疫吸附测定(电子ELISA)技术的AlGaN/GaN HEMT生化传感器的研究,采用理论与实验相结合的方式探索生物分子膜、待测目标与器件电学量之间的转换机制,分析德拜长度对AlGaN/GaN HEMT传感器件的影响,研究降低或消除德拜长度影响的方法,探索采用“生物分子膜-纳米金”信号放大系统提高传感器灵敏度的方法,研究和解决“电子ELISA” AlGaN/GaN HEMT传感芯片的设计、加工、封装等共性关键技术。通过对该项目的研究,建立和完善AlGaN/GaN HEMT生化传感器的传感机理、制备与表征手段,促进微纳技术、生物技术、信息技术等以及有关交叉学科的发展。

结项摘要

从第一篇关于AlGaN/GaN HEMT结构的生化传感器至今,已有近十余年的研究历程,国内外的研究学者针对该结构的生化传感器开展了诸多研究,均取得了不错的进展。本项目以微/纳传感器在生物医学、环境监测等领域的痕量现场快速应用为研究背景,以提高GaN基传感器自身性能为研究目标,针对国内外对于AlGaN/GaN HEMT生化传感器从生化反应到器件电学信号获取之间转换机制不明确的问题,开展了对于传感区域表面特异性分子识别探针、目标检测物等对AlGaN/GaN异质结结构中2DEG影响的研究,探索了生物量与电学量之间的转换机制,构建了AlGaN/GaN HEMT生化传感器的传感机理模型。研究了“生物分子膜-纳米金”体系作为器件响应信号识别元件及信号放大工具的原理,实现了以金颗粒用巯基乙胺进行修饰的方法完成对TNT的高灵敏特异性识别,其检测极限可达到0.1ppt。研究了提高传感器信号稳定性的方法,提出了延伸栅式AlGaN/GaN HENT生化传感结构设计,该结构的传感器应用到前列腺特异性抗原(PSA)的检测中,实现了最低检测限位0.1 pg mL-1的检测。探索了在栅极区域修饰席夫碱提高表面修饰一致性的方法,实现了对痕量重金属离子锌离子(Zn2+)的检测。研究了基于差分式AlGaN/GaN HEMT的生化传感结构提高检测信号稳定性的方法,实现了对前列腺特异性抗原的极低浓度检测(100 fg/mL)。研究了基于AlGaN/GaN HEMT结构的“电子ELISA”检测方法,将传统ELISA方法中底物的显色反应以产生电学信号的电化学反应代替,本项目以磁珠作为ELISA生物链修饰平台,尿素-脲酶反应作为底物反应,使用AlGaN/GaN HEMT生化传感器检测底物反应所产生的氢离子,从而突破德拜半径屏蔽的影响,实现在生理溶液中对生物大分子的检测,实现在生理溶液中对PSA的检测,检测极限可达1 fg mL-1。该研究对理解AlGaN/GaN HEMT生物传感器的应用具有重要意义和价值。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
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专利数量(2)
Molecular gated-AlGaN/GaN high electron mobility transistor for pH detection
用于 pH 检测的分子门控 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管
  • DOI:
    10.1039/c8an00032h
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Analyst
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Ding Xiangzhen;Yang Shuai;Miao Bin;Gu Le;Gu Zhiqi;Zhang Jian;Wu Baojun;Wang Hong;Wu Dongmin;Li Jiadong
  • 通讯作者:
    Li Jiadong
Highly sensitive AlGaN/GaN HEMT biosensors using an ethanolamine modification strategy for bioassay applications
采用乙醇胺修饰策略的高灵敏度 AlGaN/GaN HEMT 生物传感器,用于生物测定应用
  • DOI:
    10.1039/c9ra02055a
  • 发表时间:
    2019-05-14
  • 期刊:
    RSC Advances
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Gu Zhiqi;Wang Jin;Miao Bin;Zhao Lei;Liu Xinsheng;Wu Dongmin;Li Jiadong
  • 通讯作者:
    Li Jiadong
Highly sensitive extended gate-AlGaN/GaN high electron mobility transistor for bioassay applications
适用于生物测定应用的高灵敏度扩展栅极 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管
  • DOI:
    10.1039/c7ra10028k
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    RSC Adv.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xiangzhen Ding;Bin Miao;Zhiqi Gu;Baojun Wu;Yimin Hu;Hong Wang;Jian Zhang;Dongmin Wu;Wenhui Lu;Jiadong Li
  • 通讯作者:
    Jiadong Li
Disposable Gate AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Sensor for Trace-Level Biological Detection
用于痕量生物检测的一次性栅极 AlGaN/GaN 高电子迁移率传感器
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Shuai Yang;Le Gu;Xiangzhen Ding;Bin Miao;Zhiqi Gu;Lanying Yang;Jiadong Li;Dongmin Wu
  • 通讯作者:
    Dongmin Wu
Electrical detection of trace zinc ions with an extended gate-AlGaN/GaN high electron mobility sensor
使用扩展栅极 AlGaN/GaN 高电子迁移率传感器对痕量锌离子进行电检测
  • DOI:
    10.1039/c8an01770k
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Analyst
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Gu Le;Yang Shuai;Miao Bin;Gu Zhiqi;Wang Jin;Sun Wei;Wu Dongmin;Li Jiadong
  • 通讯作者:
    Li Jiadong

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其他文献

高灵敏度AlGaN/GaN HEMT生物传感器设计及制作
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    微纳电子技术
  • 影响因子:
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  • 作者:
    薛伟;李加东;谢杰;吴东岷
  • 通讯作者:
    吴东岷
基于聚类和区域生长的道路可行区域提取
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    华中科技大学学报: 自然科学版
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    侯学勇;刘士荣;张波涛;李加东
  • 通讯作者:
    李加东
生物分子膜门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Acta Physica Sinica
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    李加东;程珺洁;苗斌;魏晓玮;张志强;黎海文;吴东岷
  • 通讯作者:
    吴东岷
结构应力耦合的微悬臂阵列
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    光学与光电技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李加东;付号;丁江放;曹更玉
  • 通讯作者:
    曹更玉
硅基自锐式纳米针尖一次成型制作工艺的研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    压电与声光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    薛伟;李加东;谢杰;吴东岷
  • 通讯作者:
    吴东岷

其他文献

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李加东的其他基金

基于“智能微筛”的AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管生物传感机理及器件研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    59 万元
  • 项目类别:
    面上项目
高灵敏度“生物分子膜”门电极AlGaN/GaN HEMT生物传感器的研制及其传感机理研究
  • 批准号:
    61104226
  • 批准年份:
    2011
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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