专刊 | 半导体学报2023年第2期——新型半导体生化传感专刊
新型半导体生化传感专刊
、学和机械性质可以通过相邻二维材料的层间相对转角进行调控，基于这一特性，“二维转角范德瓦尔斯异质结”正逐渐成为新型光电和输运器件的基本构成要素。这种转角二维异质结构将不同的二维范德瓦尔斯材料通过机械转移的办法堆叠在一起，逐渐发展出“转角电子学”这一全新研究领域。在“转角范德瓦尔斯异质结”中，相邻二维材料的晶格失配和层间转角共同作用，产生了“莫尔超晶格”：即一种比原始晶胞更大的周期性晶格结构，目前已被广泛用于二维材料的光学特性和电子结构设计，并由此展示出一系列新奇的现象。虽然在范德瓦尔斯异质结中，二维材料层与层之间的范德瓦尔斯相互作用非常弱，但莫尔超晶格的形成却可以显著改变电子和声子的能带结构。这种意想不到的能带结构和拓扑结构的引入将引发长程关联、电荷有序以及其它于母体材料中不具备的诸多引人入胜的量子现象。与传统的半导体异质结构不同，简单的堆叠、转角、栅极调制和光学激发对这类材料而言都是全新而有效的调控方法。因此，“转角电子学”为人们无缝链接地打开了探索从弱关联到强关联极限物理学的大门。虽然“转角电子学”这一全新领域的研究看似可以简单地通过扭转层间转角来实现，但与同类非转角材料体系的研究相比仍然面临诸多挑战，后者需要在制造技术、新结构设计和更深入的物理理解等多方面取得更多的突破并开展更深入的研究。
由于我们无法将所有相关问题逐一囊括，本期专题侧重于“转角范德瓦尔斯异质结”的合成、实验及其潜在应用价值相关的最新重要研究进展，汇集了5篇综述论文、1篇研究论文、1 篇新闻与观察（news & views）以及 1 篇评论与观点（comments & opinions）文章。中科院半导体研究所张俊研究员、魏钟鸣研究员担任特约编辑。专题已于2023年第1期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。
我们真诚地希望本期特刊能为“转角电子学”研究提供深刻、有意义的回顾和展望，我们衷心地感谢所有作者的杰出贡献。
自2020年以来，新冠疫情全面爆发和持续演变将PCR、抗原抗体、基因测序等生化检测概念带入“寻常百姓家”。其中，新型半导体生化传感的重要性日益凸显。它深度融合半导体和生化传感的技术优势，整合分子生物学、纳米材料、微流控、人工智能等交叉学科，将生化信息放大转换为可检测的光/电信号，具有速度快、灵敏度高、集成度高、易于批量制造等优点，是生物医学信息获取的“尖兵”，是现代医疗诊断装备的“心脏”。新型半导体生化传感还可用于农业、渔业、畜牧业、生物安全等领域，实现动物/植物生理动态监测和高致病性病原体快速检测，全面提升行业信息化和智慧化发展水平。基于新型半导体生化传感的迅速发展，《半导体学报》组织出版了一期“新型半导体生化传感”专刊，邀请中国科学院半导体研究所李钊副研究员、中国检验检疫科学研究院林祥梅研究员、中国农业大学水利与土木工程学院贺冬仙教授、中国科学院深圳先进技术研究院马英新研究员、南方科技大学深港微电子学院林苑菁助理教授担任特约编辑。本期专刊已于2023年第2期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。本期专刊汇集了6篇综述论文和2篇研究论文，介绍了病原体快速检测、MEMS生物传感器、CMOS集成电路生化芯片、植物生理监测柔性贴片等方面的最新进展，以及半导体生化传感技术在医疗诊断、生物安全、农业、可穿戴电子等领域的应用。我们真诚地希望本期专刊能为半导体生化传感领域提供有价值的回顾和展望，我们衷心地感谢所有作者的杰出贡献。
专刊
综述
1
基于汗液生物传感器的健康监测可穿戴纺织品
可穿戴生物传感器可以通过动态测量人体汗液中的生物标志物，实现连续实时地监控人体的生理信息。该技术在材料科学到生物医学等多个领域得到广泛应用，尤其在运动管理、健康监测、药物监测和老年护理领域，具备舒适性、灵活性、轻便性和方便集成性等优点。尽管汗液传感器已经被大力开发，但是在柔性器件性能提升、穿戴舒适性、多功能模块集成方面依然存在挑战。研究人员通过材料优化、结构创新和系统集成策略设计，在织物上构筑了高性能的生物传感系统，并实现更高效、可靠的汗液采集、数据传输等。这些前沿进展提供了更加全面、精准的生理信息监测手段，也为生物医学和健康管理领域的发展提供了更多的机遇和挑战。
南方科技大学林苑菁课题组与香港理工大学郑子剑、黄琪瑶课题组对基于织物的新型生物传感器及系统的最新研究进展进行了全面回顾。综述首先介绍了常用于可穿戴皮上生理标志物分析的织物基生物传感器，如比色法传感器和电化学传感器，并总结了电化学传感器的机制和分类，包括电位型、电流型、场效应晶体管型和阻抗型生物传感器。随后着重总结了织物导体的分类和构筑方法，并介绍了面向汗液高效采集的织物系统设计策略，讨论了织物基生物传感器的性能提升策略，包括纳米结构功能材料的设计优化，并介绍了多功能模块在织物基底上的系统集成策略。
图1. 基于织物的生物传感器在可穿戴式健康监测中的应用。深入理解生物传感机制、构筑高性能织物电极、设计高效的皮上汗液采集方法、提高织物传感系统集成度等方面的前沿研究进展对于实现更具穿戴舒适性、多功能的可穿戴传感技术至关重要。
最后，文章讨论了面向健康监测应用的织物基底生物传感技术的发展前景和挑战。近年来，针对材料优化和微纳柔性器件制造技术的研究成果使得基于柔性生物传感的健康监测技术取得了长足的进展，其中许多健康监测系统已应用于商业产品中。然而，可穿戴汗液生物传感器在实际应用中仍面临以下几个挑战。首先，汗液生物传感器的关键性能指标之一是汗液采集的高效性。目前，收集汗液的主要方法包括高强度运动或离子电渗法。然而，即使在高强度运动期间，汗液采集量也较低，而离子电渗法需要通过电流刺激，可能对皮肤造成损伤。其次，新旧汗的混合以及测试区域的潜在污染，也会影响测试结果的准确性。因此，需要结合织物特有的亲疏水性质，设计更高效的汗液采样模块。其次，发展具备可清洗性质的织物基底电子器件将使其在可穿戴监测应用中具有更大优势。生物传感器与汗液接触过程中表面被污染是不可避免的。为了节省成本，通常可以通过清洗去除残留物。然而，由于选择性膜质地柔软，在清洗的过程中其表面甚至内部结构会被损坏，这可能导致传感器性能下降甚至损坏。采用仿生微/纳米结构进行表面改性以实现自清洁效果将是首选策略之一。此外，深入研究并优化可清洗的封装或保护层材料，有望实现可重复使用的纺织品智能电子与系统。
该综述论文作为封面文章、以题为“ Wearable sweat biosensors on textiles for health monitoring”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Wearable sweat biosensors on textiles for health monitoring
Yuqing Shi, Ziyu Zhang, Qiyao Huang, Yuanjing Lin, Zijian Zheng
J. Semicond. 2023, 44(2): 021601 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/021601
2
用于病毒检测的生物功能化半导体量子点
病毒是一种具有传染性的病原体，病毒感染可引起严重的呼吸道、肠道、皮肤、器官、神经系统和血液系统等疾病。构建快速、准确、便于使用和低成本的病毒检测方法对于疫情的防控具有重要作用。纳米生物传感器通过纳米材料与酶、抗原、抗体、DNA等分子物质的特异性识别和相互作用，并将其转导为光学和电化学信号，已被广泛用于病毒检测中。量子点作为常用的半导体纳米晶体，具有优异的光学性能。与有机荧光染料相比，量子点（Quantum Dot，QD）具有激发范围宽、光致发光对称、荧光寿命长、耐光漂白等优点。近年来，量子点与多种分析技术（如荧光共振能量转移、聚集诱导猝灭、磁分离、酶联免疫吸附等）结合，许多新型分析方法被开发并广泛应用于病毒检测。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院马英新课题组综述了基于量子点的病毒核酸、抗体和抗原检测生物传感器的最新进展，并对量子点在病毒检测中面临的挑战、新趋势和方向做了展望。
作者系统地总结了量子点的合成与生物功能化方法。量子点是典型的零维纳米材料，包括II-VI、III-V或IV-VI纳米材料。与传统的荧光染料和荧光蛋白相比，量子点具有吸收光谱宽、发射光谱窄且可调、量子产率高、光稳定性好、易于生物功能化等优异的光学特性。量子点的合成方法包括金属有机合成法和水合成。有机金合成量子点粒径均匀，量子产率高，稳定性好，但毒性大。水相合成方法简单、绿色、易于表面功能化，可直接应用于各种生物系统。量子点的生物功能化涉及利用蛋白质、核酸或小生物分子修饰纳米颗粒表面，在生物领域有着广泛的应用。
此外，作者系统地概括了量子点在病毒检测领域的应用进展。由于量子点具有高量子产率、抗光漂白、高信噪比等优点，在病毒早期诊断和感染机制研究中展示出良好的应用潜力，基于量子点的方法己被开发用于病毒核酸检测和蛋白质免疫分析。由核酸组成的遗传物质在病毒的复制、增殖、遗传和进化中起着重要作用，是诊断病毒感染的主要生物标志物。核酸检测的原理是基于具有高度特异性的核酸杂交，构建多种DNA功能化量子点探针，用于病毒核酸检测，灵敏度较高。免疫测定主要依靠抗体和抗原结合的特异性来实现对病毒感染的诊断。与核酸检测相比，免疫检测方法简单方便，不需要昂贵的仪器，也不需要专业的实验人员，适用于病毒的快速筛查。免疫检测法主要分为均相检测法和异相检测法。异相系统通过洗涤去除目标物中的游离成分，具有高灵敏度、特异性好、应用性强等优点。均相体系没有固相抗体包被过程，不需要洗涤和分离过程，适用于快速检测，且可通过信号放大提高灵敏度。
最后，作者总结展望了目前量子点病毒检测存在的主要挑战及可能的解决方案：1、半导体量子点的潜在毒性会一定程度限制其在疾病诊断中的临床应用。因此，为了构建安全、环保的生物传感器，需要制备相对低毒甚至无毒的量子点。2、一些实验室量子点制备方法尚不成熟，难以大规模生产，因此需要发展并改进制备大规模QD的方法。3、传统的PCR或LAMP耗时，而CRISPR等新兴技术的应用成本较高，因此，对于病毒核酸检测尚需进一步研究。4、病毒核酸的提取步骤复杂，将无需核酸提取的方法与基于QD的病毒生物传感器相结合，可显著提高分子诊断的可操作性。5、对于免疫测定，ELISA法耗时长，LFIA法灵敏度低，但同时兼顾快速和灵敏度的方法很少。合成生物学传感器具有快速、特异性和鲁棒性等特性，将其与QDs结合作为报告基因，可进一步提高检测灵敏度。
文章信息：
Biofunctionalized semiconductor quantum dots for virus detection
Yingqi Liang, Guobin Mao, Junbiao Dai, Yingxin Ma
J. Semicond. 2023, 44(2): 023101 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/023101
3
半导体生物传感器在病毒性人畜共患病检测中的应用与展望
病毒性人畜共患病一旦暴发会造成严重后果，包括巨大的经济损失、公共卫生问题甚至全球社会危机。快速、精准的检测技术在疫病的预防和控制中起着非常重要的作用。半导体生物传感器由于具有快速、便携、成本效益高等优点，在预防疫病流行方面发挥了重要作用，已经成为研究热点之一。
近日，中国检验检疫科学研究院吴绍强研究员课题组对半导体生物传感器在病毒人畜共患病检测中的应用进行了总结，重点关注了半导体生物传感器的原理、设计及最新的纳米材料在生物传感器中的应用，尤其是石墨烯、碳纳米管、硅纳米线材料。目前已经研制了重要的人畜共患病病原，如乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒、埃博拉病毒、登革热病毒等的半导体生物传感器，研制的登革热病毒生物传感器，灵敏度极限突破了0.08pm，展现出巨大的应用前景。通过总结，也注意到进一步提升半导体生物传感器的灵敏度、特异性，研发可便携的生物传感器，开发生物传感器的配套软件、电子配件等是半导体生物传感器发展的未来趋势。
该文章以题为“Application and prospect of semiconductor biosensors in detection of viral zoonoses”发表在Journal of Semiconductors上。
图2. 石墨烯基半导体生物传感器主要原理示意图。（a）石墨烯FET生物传感器的原理示意图。（b）石墨烯光学生物传感器的原理示意图。
文章信息：
Application and prospect of semiconductor biosensors in detection of viral zoonoses
Jiahao Zheng, Chunyan Feng, Songyin Qiu, Ke Xu, Caixia Wang, Xiaofei Liu, Jizhou Lv, Haoyang Yu, Shaoqiang Wu
J. Semicond. 2023, 44(2): 023102 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/023102
4
新型核酸检测生物传感器及其在鲑鳟鱼类病毒性疫病检测中的应用前景
鲑鳟鱼类是典型的冷水性鱼类，经济价值高，市场前景广阔，是世界重要经济鱼类之一。随着我国鲑鳟鱼人工养殖规模逐渐扩大，病毒性疫病成为制约鲑鳟鱼类养殖发展的主要因素之一，传染性造血器官坏死病和传染性胰坏死病等病毒性疫病的爆发给我国养殖业造成了巨大的经济损失。因此及早发现和识别病毒是采取有效防控措施的必要前提，然而我国鲑鳟鱼类传统疫病监测和检测模式环节多，耗时长，局限于实验室诊断，不利于疫病的早期检测和诊断。快速、灵敏、高效、便携的现场检测方法对于鱼类病毒性疫病早期发现至关重要。生物传感器具有反应速度快、低成本、高灵敏度和高特异性且能够实现现场检测等特点，适合病毒早期检测。随着材料科学的发展，硅、量子点、金纳米颗粒和氧化铟锡（ITO）等半导体材料因其优良的光电化学性能在生物传感器研究中发挥了重要作用，半导体材料制造的核酸生物传感器在鲑鳟鱼类早期快速检测和筛查方面显示出巨大的潜力。
中国检验检疫科学研究院动物检验与检疫团队综述了目前鲑鳟鱼类病毒性疫病的检测方法研究进展，介绍了我国鲑鳟鱼病毒病监测工作流程和模式，提出了传统监测模式中早期检测和诊断的局限性和挑战。简要介绍了基于半导体材料的新型核酸生物传感器的研究进展，分为依赖核酸扩增技术的生物传感器和直接进行核酸检测的生物传感器两类，展现了半导体生物传感器优越的检测性能。目前尚未有半导体核酸生物传感器实际应用于鱼类疫病检测，论文最后对新型核酸半导体生物传感器在鲑鳟鱼类疫病早期现场检测中的潜在应用前景进行了展望。
该文章以题为“A brief review of novel nucleic acid test biosensors and their application prospects for salmonids viral diseases detection”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
A brief review of novel nucleic acid test biosensors and their application prospects for salmonids viral diseases detection
Xiaofei Liu, Songyin Qiu, Haiping Fang, Lin Mei, Hongli Jing, Chunyan Feng, Shaoqiang Wu, Xiangmei Lin
J. Semicond. 2023, 44(2): 023103 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/023103
5
用于监测农作物病虫害的生物传感技术
随着先进生物传感器在农业场景中的应用不断扩展，可以实时捕捉植物数据、监测环境信息等，结合数据智能分析与自动化装置，实现对农业的智能化管理和自动化监控。据2022年联合国粮农组织FAO发布的一份报告指出，全球7.02至8.28亿人面临饥饿，23.1亿人面临中度或重度粮食不安全状况。受气候变化影响，破坏重要经济作物的病虫害以更具破坏性的方式对粮食安全和环境构成重大威胁。监测预报是做好农作物病虫害预防控制的前提。因此，随着农业生产向着信息化、智能化、精准精细化方向发展，传感器及相关技术在病虫害监测上的需求日益增加，能够监测作物胁迫因子、病虫害发生信息的新型生物传感器技术受到越来越广泛的关注。然而，目前缺少相关综述对该领域进行系统梳理与总结分析。
中国检验检疫科学研究院研究团队发表了综述论文，报道了近年来生物传感技术在病虫害监测领域的重要研究成果，概述了图像传感、电子鼻、植物可穿戴设备的技术原理和研究进展。该综述系统地介绍了光学传感器捕获害虫生物特征信号以计数和识别；通过相机与传统诱捕装置结合获得害虫图像；电子鼻对农作物挥发物进行检测从而间接实现对病虫害的诊断；以及柔性可穿戴电子传感器——“电子皮肤”用于监测作物健康状况，其原理是基于石墨烯材料等传感器实时监测作物水分和营养成分变化，进一步开发其用于检测病虫害的可能性。最后，该综述提出了生物传感技术在田间病虫害监测过程中存在的挑战和未来应用前景。
该文章以题为“Advanced biosensing technologies for monitoring of agriculture pests and diseases: A review”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Advanced biosensing technologies for monitoring of agriculture pests and diseases: A review
Jiayao He, Ke Chen, Xubin Pan, Junfeng Zhai, Xiangmei Lin
J. Semicond. 2023, 44(2): 023104 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/023104
6
用于生物化学检测的微悬臂梁传感器
微悬臂梁是微机电系统（MEMS）中最流行的小型化结构之一。基于微悬臂的传感器是生化检测的理想选择，其具有高灵敏度、高通量和响应速度快等特点。微悬臂生化传感器已经被探索和研究了近三十年，但在实际应用中仍有一些问题亟需解决。对于工作在静态模式的传感器，悬臂的灵敏度与杨氏模块成反比。因此，近些年基于聚合物低杨氏模量材料的微悬臂梁引起了更多的关注。对于动态模式，悬臂的灵敏度与质量成正比，与品质因子和谐振频率成反比，微悬臂的高信噪比可通过提高品质因子和频率实现。此外，空间位阻效应导致微悬臂传感器的分子捕获效率低，大大降低了信噪比。因此，需要放大技术来提高悬臂式传感器的检测灵敏度。同时，微悬臂传感器仍有许多复杂的问题和潜在的应用潜能，如传感器的噪音还没有得到优化；随着互联网技术的普及，与人工智能技术的结合也是必不可少。
近日，天津工业大学王晶晶课题组讨论了微悬臂生化传感器及其在气态和液态环境中的应用。分析了微悬臂生化传感器具有灵敏度高、反应快、体积小等优点，但必须通过信号放大技术增强抗干扰能力，以实现悬臂传感器的抗噪。并且指出了人工智能（AI）和微悬臂传感器的结合将为传感器探索更多的潜在应用。
人工智能与MEMS传感器结合，为自动化、智能工业制造、医疗设备和生命科学带来了新的机遇。随着5G信息产业和人机界面技术的快速发展，人工智能正被更多地应用于人机交互和互联互通。这种具有未来传感器特性的互动系统在各种场景下都有许多潜在的应用，包括运动训练模拟、医疗康复，甚至是娱乐领域。
该文章以题为“Microcantilever Sensors for Biochemical Detection”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Microcantilever sensors for biochemical detection
Jingjing Wang, Baozheng Xu, Yinfang Zhu, Junyuan Zhao
J. Semicond. 2023, 44(2): 023105 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/023105
研究论文
7
用于甲基苯丙胺检测的超灵敏晶体管生物传感器
长期使用甲基苯丙胺会对人体的神经系统、心脑血管造成严重伤害，严重者甚至死亡。目前，商业化检测甲基苯丙胺的手段普遍存在设备昂贵、灵敏度不高、需要专业人员进行分析等缺点。
复旦大学魏大程研究员课题组基于甲基苯丙胺抗体修饰石墨烯晶体管传感器，克服商业化检测手段普遍存在的缺陷，实现甲基苯丙胺平均检测时间小于2 min，检测限为5 ´ 10-17 mol/L的效果，为研发性价比高效的检测甲基苯丙胺乃至其它生物分子设备提供了新的思路。
文章信息：
Ultrasensitive detection of methamphetamine by antibody-modified transistor assay
Banpeng Cao, Changhao Dai, Xuejun Wang, Dacheng Wei
J. Semicond. 2023, 44(2): 022001 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/022001
8
用于细胞代谢检测的640 × 640 ISFET阵列
离子敏场效应晶体管（Ion sensitive Field Effect Transistor，ISFET）是一种通过离子敏感膜特异性检测溶液离子浓度的半导体生化传感器，具有高灵敏、高通量、快速、可大批量制造等优势，广泛应用于基因测序、疾病诊断、废水处理、食品安全等领域。
文章信息：
A 640 × 640 ISFET array for detecting cell metabolism
Ling Yang, Yizheng Huang, Zhigang Song, Manqing Tan, Yude Yu, Zhao Li
J. Semicond. 2023, 44(2): 024101 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/024101
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《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
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