【国内论文】中山大学、中国科学院东莞材料所、中医药广东省实验室：用于无标记生物分子检测的非晶 Ga₂O₃ 深紫外成像仪

        由中山大学、中国科学院东莞材料科学与技术研究所、中医药广东省实验室的研究团队在学术期刊 AAPPS Bulletin 发布了一篇名为 Amorphous Ga₂O₃ deep UV imager for label-free biomolecule detection（用于无标记生物分子检测的非晶 Ga₂O₃ 深紫外成像仪）的文章。

        生物分子分析在疾病早期诊断、食品科学及生物医学研究中至关重要，然而现有的检测技术在灵敏度、吞吐量和成本之间面临着难以调和的权衡，传统的荧光标记法程序复杂且可能破坏分子本征结构，而免标记的商业紫外分光光度计又因体积庞大、价格昂贵而无法实现大规模、高吞吐量的多点并行阵列化检测；为此，具有强深紫外响应特性和优异大面积低温集成兼容性的非晶氧化镓（α-Ga₂O₃）薄膜成为理想选择，通过将其直接外延沉积在商业非晶硅（α-Si）薄膜晶体管面板上，能够构建出低成本、大面积的深紫外图像传感器阵列，为实现高吞吐量、免标记的生物分子快速光学定性与定量检测开辟了新途径。

        生物分子分析在早期疾病诊断、个性化营养、食品科学和基础生物医学研究中发挥着至关重要的作用。然而，当前技术面临着灵敏度、通量和成本等参数之间两两权衡的问题。在本研究中，基于非晶氧化镓（α-Ga₂O₃）薄膜，提出了一种可扩展的生物分子传感平台，该平台具有显著的深紫外（UV）响应特性和与大面积电子器件独特的低温兼容性。首先，采用单像素 α-Ga₂O₃ 光电探测器，其在 255 nm 处的峰值响应率为 0.65 A/W，用于识别四种基本生物分子，包括腺嘌呤、鸟嘌呤、L-苯丙氨酸和 L-酪氨酸。通过商用紫外 - 可见光谱仪验证，光电流随浓度的变化与这些生物分子不同的紫外吸收特性高度一致。此外，通过将 α-Ga₂O₃ 薄膜直接沉积到商用非晶硅（α-Si）薄膜晶体管（TFT）背板上，构建了一个 64 × 64 深紫外成像阵列，成功实现了对这四种生物分子的高通量成像。这些结果为便携式、小型化、成本效益高且具有快速无标记检测功能的生物分子传感电路提供了一种可行的策略。

        ·研究巧妙利用了生物分子对深紫外光（DUV）的本征吸收差异，将 α-Ga₂O₃ 光电探测器作为传感核心，无需复杂的化学荧光或放射性标记，直接通过光电流变化实现了对生物分子的快速、无损检测。

        ·制备的 α-Ga₂O₃ 单像素探测器在 255 nm 处的光响应度达到 0.65 A/W。利用该器件成功实现了对腺嘌呤（Adenine）、鸟嘌呤（Guanine）、L-苯丙氨酸（L-phenylalanine）和 L-酪氨酸（L-tyrosine）四种基本生物分子的浓度定量监测，其光电流随浓度变化的趋势与商业紫外 - 可见分光光度计的标准吸收光谱高度吻合。

        ·得益于非晶氧化镓优异的低温制备工艺，研究团队通过将其直接外延沉积在商业非晶硅（α-Si）薄膜晶体管（TFT）基底上，成功制造了 64 × 64 像素的深紫外成像阵列。这展示了氧化镓大面积、高密度像素集成的技术可行性。

        ·利用该 64 × 64 成像阵列，研究团队展示了对空间分布的不同浓度生物分子溶液进行并行多点成像（Parallel DUV Imaging）的能力。器件能够清晰捕捉到不同空间位置上因分子浓度和吸收率不同而产生的深紫外光强对比度，证明了其在大规模高吞吐量芯片化检测中的潜力。

        ·该检测平台绕开了昂贵的单晶衬底和高昂的微纳加工设备，采用非晶薄膜与现有成熟的硅基 TFT 显示面板技术（TFT-backplane）融合，大幅降低了制备成本，为开发便携式、高吞吐量的临床深紫外医疗检测芯片提供了极具产业化前景的方案。

        综上所述，本文通过将 α-Ga₂O₃ 深紫外光探测器（PD）与成熟的 α - Si 薄膜晶体管（TFT）背板相结合，成功开发了一种无标签、高通量的生物分子检测平台。单 MSM 结构的 α-Ga₂O₃ PD 在 255 nm 波长下表现出 0.65 A/W 的峰值响应率，在紫外 254 nm 光照下实现了与商用光谱仪相当的分辨率能力。更重要的是，该团队构建了一个 64 × 64 的深紫外成像阵列，有效克服了通常与晶体材料相关的集成瓶颈。作为概念验证，该团队开发了一个集成系统，包括成像阵列、读出电路（ROIC）模块和用于实时显示的移动终端，展示了基于关键生物分子特征紫外吸收特征进行快速、原位成像和鉴别的能力。这项工作为大规模生产、大面积生化分析平台开辟了一条可行之路，为当前复杂、依赖标签的诊断方法提供了一种有前景的替代方案。

        本工作得到中国国家自然科学基金（项目编号：62174113、12174275、62404146和12574218）以及广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515140094和2023A1515110730）的支持。

图1 (a) α-Ga₂O₃ MSM 光电二极管（PD）的示意图。(b) 带有氧化铟锡（ITO）电极的共面叉指式器件结构的光学显微图，以及由虚线矩形标出的选定区域的放大视图。

图2 (a) 在黑暗中和 254 nm 紫外光照射下，偏压范围从 -10 V 到 10 V 时测得的 I – V 曲线。 (b) 在 10 V 偏压下测得的 I – t 光响应曲线。 (c) 器件在 10 V 偏压下的光谱响应。 (d) 在不同功率密度的 254 nm 紫外光照射下的 I – V 曲线。 (e) 光电流与照射功率密度的关系。 (f) 在 10 V 偏压下，计算出的响应率和比探测率与入射功率密度的关系。

图3 四种生物分子的紫外 - 可见光透射光谱。测量了不同摩尔浓度的（a）腺嘌呤、（b）鸟嘌呤、（c）L- 苯丙氨酸和（d）L- 酪氨酸水溶液的透射特性。插图显示了 254 nm 处透射率随浓度的变化。注意，这里的 mM 表示 mmol/L。

图4 使用 α-Ga₂O₃ 单光子探测器检测生物分子。（a）检测系统实验装置的示意图，其中比色皿在光路中起到液体过滤器的作用。（b）-（e）在 254 nm 光透过不同浓度的腺嘌呤、鸟嘌呤、L-苯丙氨酸和 L-酪氨酸溶液时的 I – V 特性。（f）四种生物分子的归一化光电流比与摩尔浓度的关系。

图5 64×64 α-Ga₂O₃ 深紫外成像阵列的集成与成像性能。（a）集成器件架构示意图。（b）便携式检测系统示意图，包括配备四个圆柱形孔的聚二甲基硅氧烷（PDMS）容器的成像阵列、紧凑的读出电子电路（ROIC）模块和用于实时显示的移动终端。（c）-（d）六角螺母和“SLAB”掩模的成像结果。

图6 (a) 固定浓度为 1 mM 的四种生物分子溶液（腺嘌呤、鸟嘌呤、L-酪氨酸和 L-苯丙氨酸）的成像结果。(b) 沿(a)中黄色虚线提取的电流分布图。(c) 不同浓度（0、0.1、0.5 和 1 mM）的腺嘌呤溶液的成像结果。(d) 沿(c)中黄色虚线提取的电流分布图。

DOI：

doi.org/10.1007/s43673-026-00190-0