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）是跟踪細胞生理動態、探索神經元資訊互動邏輯和開發新型精准給藥及基因治療科技的基礎共性需求。一維電晶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。近期，哈佛大學Lieber教授等研究團隊在Nature、Science等頂級期刊報導相繼報導：如能將超細晶矽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。相比於傳統基於液體交換和離子導電的膜片鉗科技，這種“自帶電回路”的矽納米線探針（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、實时探測和穩定跟踪。然而，現時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管道獲得，無法可靠批量製備，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，囙此難以實現大規模器件集成應用。
針對此科技挑戰，南京大學餘林蔚、徐駿教授團隊基於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，首次實現了晶矽納米線探針陣列的宏量製備，並發展了一系列關鍵的納米探針可靠電極製備、批量懸空轉移和分級封裝連接科技。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，對所製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類比力場分析，並成功地在液滴/細胞環境中開展了場效應探測功能驗證。此納米探針製備技術的突破為開發更為先進的生物細胞探測和操控功能應用提供了理想的平臺，更有望大幅降低高精度納米探針器件的製備成本（降低2~3個數量級），從而打破限制納米探針規模應用的關鍵技術壁壘，進一步啟動更為多樣化的生物神經元/心肌細胞機理研究、仿生計算、精准給藥和基因編輯等前沿應用探索。
圖1.基於IPSLS納米線生長調控實現的可程式設計形貌納米線探針陣列精准宏量製備
圖2.可程式設計引導生長定制的晶矽納米線探針。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.形貌可程式設計的場效應矽納米線生物探針的批量自定位組裝及釋放
圖4.場效應矽納米線生物探針的力學性能測試及類比分析。（a-b）為法向施加推力納米線探針形貌變化；（d-f）為類比其受力變形時的形貌變化及應力分佈
圖5.矽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”發表於Nano Letters 21，DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04804（2021）。文章連結：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，餘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、重點和博士後基金專案資助，在此表示感謝！
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.
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