前列腺癌是一种发生于前列腺的上皮性恶性肿瘤，在男性恶性肿瘤中排名第六。前列腺特异性抗原(PSA)是诊断前列腺癌的首选生物标志物，是前列腺细胞分泌的一种蛋白，在健康人体内含量很低。

中科院宁波材料技术与工程学院的研究人员以器件电容变化的原理，利用廉价玻璃上的传感板，制备了分离式延伸栅型砷化镓HEMT生物传感器。阈值电压偏移(敏感性)和PSA抗原浓度的对数关系都达到了良好的线性关系，PSA抗原的缓冲溶液是0.1倍和1倍浓度的磷酸盐缓冲生理盐水(PBS)溶液。10 ng/ml PSA在0.1倍浓度的PBS的缓冲液中的灵敏度为55%。检测溶液中的PSA的浓度变化引起电容变化，这个电容是HEMT部分和检测板之间的双电层等效的。图1展示了本文中介绍的高性能HEMT器件结构，器件传感区域的修饰步骤和该型传感器的结构示意图。

图1 AlGaAs/GaAs HEMT结构示意图(a)、传感部分的修饰过程(b)和分离延伸EDL HEMT生物传感器(c)。

图2a给出了分离式延伸栅HEMT生物传感器在检测不同浓度PSA时的信号响应，源漏电压为0.1V。可以通过推导源漏电流(IDS)与门电压(VGS)曲线的线性部分到IDS等于0，从电压截距估计阈值电压(VTH)。图2(b)导出了相对于纯PBS溶液中的的阈值电压变化(DVTH)，并将其作为PSA浓度在对数尺度上的函数。同时为了证明阈值电压的漂移时抗原和抗体的特异性反应引起的，他们将不含有PSA的传感部分PAD连接到同一个HEMT上，阈值电压的变化没有任何规律。图2c显示了传感器灵敏度与PSA对数表达的线性关系，其线性度为R2=0.95。而图2d说明了，在检测浓度范围内灵敏度与浓度的线性关系，这表示传感器具备较好的识别能力。

图2所示。(a)不同浓度PSA(左)下HEMT生物传感器的对数ids – vg结果。以及纯PBS(右)溶液下ids – vg结果。(c )0.1倍下的PBS溶液中不同浓度PSA 和灵敏度的关系 (d)浓度范围2 ng/ml至8 ng/ml在0.1倍PBS溶液中的器件信号与PSA浓度关系。

然后他们对传感器的检测原理做了说明，利用了期间的双电层原理，当检测物质的发生变换，双电层也随着发生变化，最终引起传感器的电信号发生变化。同时还对器件的修饰效果进行了表征，结果如图3所示。表征结果表明传感区域具备较好的修饰效果。

图3所示。(a) EDL形成示意图。(b)不同浓度PSA在0.1倍PBS溶液中引起器件电容的变化。PSA抗体修饰(c)和PSA (100pg/ml)/抗PSA (d)修饰表面的AFM图像。

结论

学者提出的分离式延伸栅AlGaAs/GaAs HEMT生化传感器能够有效监测PSA的浓度，其监测浓度为100 fg/ml 到 10 ng/ml，并且具备较高的灵敏度。由于具有优良的电性能和在卡插式多功能传感应用的潜力，所以本文研究者提出的生物传感器将在公共卫生领域具备较大的应用前景。

参考文献：“Separative extended-gate AlGaAs/GaAs HEMT biosensors based on capacitance change strategy” https://doi.org/10.1063/5.0001786