南京大學余林蔚、徐駿教授課題組：在納米生物探針可編程生長制備和集成應用上取得新突破
高靈敏度空間/時間分辨生物細胞電信號探測（high spatiotemporal resolution intracellular electric signal detection）是跟蹤細胞生理動態、探索神經元信息交互邏輯和開發新型精準給藥及基因治療技術的基礎共性需求。而一維半導體納米線是實現超高靈敏度場效應探測的最理想溝道單元，近年來在生物和化學氣氛探測領域受到了廣泛的研究關注和應用探索。近期，哈弗大學Lieber教授等研究團隊在Nature、Science等頂級期刊報道相繼報道：如能將超細晶硅納米線彎折成為突出的懸空回路探針，可以很方便地對單個細胞進行高靈敏度無損傷探測。相比于傳統基于液體交換和離子導電的膜片鉗技術，這種“自帶電回路”的硅納米線探針（Si nanowire probes, SiNPs）可以無損傷地插入活細胞內部，對單個或多個接觸微區局部動態電信號進行高倍數場效應放大、實時探測和穩定跟蹤。然而，目前研究中所用的納米探針只能通過隨機VLS生長或液體沖刷定形方式獲得，無法可靠批量制備，更難以根據應用需求對探針形貌、夾角及多通道設計進行有效調控，因此難以實現大規模器件集成應用。
針對此技術挑戰，南京大學余林蔚、徐駿教授團隊基于自主創新的平面納米線（In-plane solid-liquid-solid, IPSLS）生長模式1-10，利用平面納米線可精確引導生長的特點，首次實現了晶硅納米線探針陣列的宏量制備，并發展了一系列關鍵的納米探針可靠電極制備、批量懸空轉移和分級封裝連接技術。成功展示了豐富的可定制形貌探頭結構：探針角度30-120°連續可調、曲率半徑<300納米以及三角或圓形探點構架。針對細胞接觸/插入應用，對所制備的懸空納米探頭結構的力學特性進行了深入系統地原位實驗驗證和模擬力場分析，并成功地在液滴/細胞環境中開展了場效應探測功能驗證。可定制納米探針生長制備技術的新突破，將為開發更為先進的生物探測和操控功能應用提供理想的實現平臺，更有望大幅降低高精度納米探針器件的制備成本（降低2~3個數量級），從而打破限制納米探針技術規模市場應用的關鍵壁壘，進一步激活更為廣泛和多樣化的生物神經元/心肌細胞機理研究、仿生計算、精準給藥和基因編輯等前沿應用探索。
圖1. 基于IPSLS納米線生長調控實現的可編程形貌納米線探針陣列精準宏量制備。
圖2. 可編程引導生長定制的晶硅納米線探針。探針尖端角度θ=60°（a）、θ=30°（d）、θ=120°（d）、多通道（g-h）以及圓形(i)探針。
圖3. 形貌可編程的場效應硅納米線生物探針的批量自定位組裝及釋放。
圖4. 場效應硅納米線生物探針的力學性能測試及模擬分析。（a-b）為法向施加推力納米線探針形貌變化；（d-f）為模擬其受力變形時的形貌變化及應力分布。
圖5. 硅納米線生物探針的組裝（a-d）、場效應性能測試（e）以及與指定細胞的接觸操控（f-g）。
該工作近期以“Ab Initio Design, Shaping, and Assembly of Free-Standing Silicon Nanoprobes”發表于Nano Letters?21, DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04804 (2021)。文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c04804。其中，南京大學電子科學與工程學院劉宗光副研究員為第一作者，余林蔚教授為通訊作者。此工作得到了南京大學施毅教授和王軍轉副教授的大力支持，以及國家自然科學基金委面上、重點和博士后基金項目資助，在此表示感謝！
招聘公告：課題組目前開放招聘柔性晶硅電子、生物探測、三維生長集成和新型NEMS器件應用方向的博士后職位。歡迎相關方向有志博士畢業生來信聯系：
前期相關工作：
1. Zhang, T.; Hu, R.; Zhang, S.; Liu, Z.; Wang, J.; Xu, J.; Chen, K.; Yu, L. Superfast Growth Dynamics of High-Quality Silicon Nanowires on Polymer Films via Self-Selected Laser-Droplet-Heating. Nano Lett. 2021,21, (1), 569-576.
2. Yin, H.; Yang, H.; Xu, S.; Pan, D.; Xu, J.; Chen, K.; Yu, L. High Performance Si Nanowire TFTs With Ultrahigh on/off Current Ratio and Steep Subthreshold Swing. IEEE Electron Device Letters 2020,41, (1), 46-49.
3. Ma, H.; Yuan, R.; Wang, J.; Shi, Y.; Xu, J.; Chen, K.; Yu, L. Cylindrical Line-Feeding Growth of Free-Standing Silicon Nanohelices as Elastic Springs and Resonators. Nano Lett. 2020,20, (7), 5072-5080.
4. Hu, R.; Xu, S.; Wang, J.; Shi, Y.; Xu, J.; Chen, K.; Yu, L. Unprecedented Uniform 3D Growth Integration of 10-Layer Stacked Si Nanowires on Tightly Confined Sidewall Grooves. Nano Lett. 2020,20, (10), 7489-7497.
5. Dong, T.; Sun, Y.; Zhu, Z.; Wu, X.; Wang, J.; Shi, Y.; Xu, J.; Chen, K.; Yu, L. Monolithic integration of silicon nanowire networks as a soft wafer for highly stretchable and transparent electronics. Nano Lett. 2019,19, (9), 6235-6243.
6. Zhao, Y.; Ma, H.; Dong, T.; Wang, J.; Yu, L.; Xu, J.; Shi, Y.; Chen, K.; Roca i Cabarrocas, P. Nanodroplet Hydrodynamic Transformation of Uniform Amorphous Bilayer into Highly Modulated Ge/Si Island-Chains. Nano Lett. 2018,18, 6931–6940.
7. Xue, Z.; Sun, M.; Zhao, Y.; Tang, Z.; Dong, T.; Wang, J.; Wei, X.; Yu, L.; Chen, Q.; Xu, J.; Shi, Y.; Chen, K.; Cabarrocas, P. R. i. Deterministic line-shape programming of silicon nanowires for extremely stretchable springs and electronics. Nano Lett. 2017,17, 7638.
8. Xue, Z.; Xu, M.; Zhao, Y.; Wang, J.; Jiang, X.; Yu, L.; Wang, J.; Xu, J.; Shi, Y.; Chen, K.; Roca i Cabarrocas, P. Engineering island-chain silicon nanowires via a droplet mediated Plateau-Rayleigh transformation. Nature communications 2016,7, 12836.
9. Xue, Z.; Xu, M.; Li, X.; Wang, J.; Jiang, X.; Wei, X.; Yu, L.; Chen, Q.; Wang, J.; Xu, J.; Chen, K.; Roca i Cabarrocas, P. In‐Plane Self‐Turning and Twin Dynamics Renders Large Stretchability to Mono‐Like Zigzag Silicon Nanowire Springs. Adv. Func. Mater. 2016,26, (29), 5352-5359.
10. Xu, M.; Xue, Z.; Wang, J.; Zhao, Y.; Duan, Y.; Zhu, G.; Yu, L.; Xu, J.; Wang, J.; Shi, Y.; Kunji, C.; Roca i Cabarrocas, P. Heteroepitaxial Writing of Silicon-on-Sapphire Nanowires. Nano Lett. 2016,16, (12), 7317-7324.
關鍵詞：IPSLS納米線，生物細胞探針，規模定制，場效應探測器件
本文由作者投稿。
文章評論(0)