電化學生物傳感器通過生物分子之間的特異性識別作用將目標分子與其反應信號轉化成電信號，從而實現對目標分析物的定性或定量檢測。該類傳感器可用于檢測癌癥及其它疾病的早期癥狀、環境污染或食品污染等。氮化鎵（GaN）是半導體行業用于生產高密度電子電路的新型材料之一，目前已成為電動汽車控制電路的首選材料，從而推動了GaN技術的發展。因為GaN晶體管堅固耐用、可承受高電壓且開關速度更快，所以適用于大功率、高頻率應用。上述特性還使其能夠感知電荷的微小變化，因而成為電化學生物傳感器的良好候選材料。

GaN器件的制造工藝復雜且成本昂貴，目前仍處于新興階段。而使試驗和誤差最小化所需的精確數學模型尚不適用于GaN生物傳感器。據麥姆斯咨詢報道，來自印度理工學院孟買分校（Indian Institute of Technology Bombay，簡稱：IIT Bombay）的研究人員開發了一款比現有可用模型更準確的GaN生物傳感器。該模型考慮了晶體管界面的表面電荷和含有“被分析物（待檢測的生物分子）”的溶液的影響，而早期模型并未考慮該因素。他們的研究成果發表在IEEE Sensors Letters期刊上。

GaN生物傳感器基于一種被稱為“生物高電子遷移率晶體管（bio High Electron Mobility Transistor，bioHEMT）”的三端納米器件。其中兩個端，分別稱為源極和漏極，通過半導體材料中的電載流子通道連接。第三端稱為柵極，控制通道中流動的電流。柵極涂有一層生物分子識別元件（探測器），暴露于被分析物溶液中。被分析物和檢測器分子之間的相互作用產生電荷，改變柵極電壓，從而改變通過晶體管的電流。電流的變化與生物標志物濃度成正比，因此可用于生物傳感。

“bioHEMT使檢測生物標志物濃度非常微小的變化成為可能，并可作為早期疾病預警傳感器。”該研究的作者Siddharth Tallur教授說。

柵極和被分析物溶液的界面上，形成一層薄薄的雙電荷層。早期模型將該層描述為電介質。電介質是有電荷沉積表面的電絕緣體。實際上，雙層結構具有存儲電荷的作用，相當于一個電容器。“雙層結構的電荷會影響晶體管中的電流。因此，如果不考慮它們的影響，可能會導致對被分析物濃度的錯誤估計。”Tallur教授解釋說。基于不完整模型設計的最終器件可能無法按預期檢測生物標志物濃度的微小變化。

“一個精確的模型可以幫助設計人員調整傳感器的參數，以完全按照規格要求進行研發和生產。這將降低開發成本并便于采用最新的GaN傳感技術。”Tallur教授說。

在創建的模型中，研究人員推導出了一個數學表達式，該表達式根據生物傳感器的電氣和物理特性、生物標志物濃度和施加在柵極上的電壓，來計算通過傳感器的電流。研究人員遵循的方法類似用于硅器件的方法。他們在推導這個方程式時，考慮了界面處的電荷層。為了證明該模型的準確性，研究人員利用它來模擬一款生物傳感器的性能，目標是檢測一種叫做前列腺特異性抗原的分子，如果患有前列腺癌，該抗原濃度會增加。對于不同的分子濃度，他們計算了通過器件的電流隨柵極電壓變化而變化的情況。

研究人員通過一個考慮了界面處電荷層影響的模型計算出的電流值，來驗證該模型。計算模型對生物傳感器的性能進行獨立分析，并分析通過器件的電流值。研究人員使用該模型來預測生物傳感器的靈敏度，即測量目標分子濃度發生特定變化時電流會發生多大變化。高靈敏度意味著生物傳感器甚至可以檢測到濃度的微小變化。他們發現，該模型預測的靈敏度值比之前未考慮界面電荷層影響的模型預測的值低約20%。他們還使用該模型預測的靈敏度與其他團隊在類似設置下，通過實驗測量的靈敏度值進行了比較，發現計算出的靈敏度值與實驗測量值有10%的偏差。

“我們提出了一個簡單的分析公式，可使設計人員僅通過一個方程式就可快速優化器件性能。”Tallur教授評論道。研究人員表示，該模型可以擴展至準確估計生物傳感器的靈敏度，這些生物傳感器可以檢測其它類型的癌癥和以早期預警生物標志物為特征的各種疾病。GaN器件可在惡劣條件下運行，例如高腐蝕性和高溫環境等。這使得GaN器件成為開發耐用、可靠、高靈敏度、使用壽命長的環境監測傳感器的一個有吸引力的選擇，例如用于水質監測的農業傳感器。

“隨著各行各業越來越多地采用GaN器件，預計未來幾年內，GaN生物傳感器的應用空間將顯著增長。”Tallur教授總結道。

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