Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Полевой транзистор на основе биосенсора , также известный как биосенсора полевого транзистора ( BioFET [1] или BioFET ), полевой биосенсора ( февраль ), [2] или биосенсора МОП - транзистора , [3] является полем -эффектный транзистор (на основе структуры MOSFET ) [3], который запускается изменениями поверхностного потенциала, вызванными связыванием молекул . Когда заряженные молекулы, такие как биомолекулы , связываются с затвором полевого транзистора, который обычно является диэлектрикомматериала, они могут изменить распределение заряда нижележащего полупроводникового материала, что приведет к изменению проводимости канала полевого транзистора. [4] [5] Био-полевой транзистор состоит из двух основных отсеков: один - это элемент биологического распознавания, а другой - полевой транзистор. [1] [6] Структура BioFET в значительной степени основана на ионно-чувствительном полевом транзисторе (ISFET), типе полевого транзистора типа металл-оксид-полупроводник (MOSFET), в котором металлический затвор заменен ионным - чувствительная мембрана , раствор электролита и электрод сравнения. [7]

В типичном BioFET электрически и химически изолирующий слой (например, диоксид кремния ) отделяет раствор анализируемого вещества от полупроводникового устройства. Слой полимера, чаще всего APTES , используется для химического связывания поверхности с рецептором, специфичным для анализируемого вещества (например, биотином или антителом ). После связывания аналита происходят изменения электростатического потенциала на поверхности слоя электролит-изолятор, что, в свою очередь, приводит к электростатическому стробирующему эффекту полупроводникового устройства и измеримому изменению тока между электродами истока и стока. [7]

Механизм работы [ править ]

Био-полевые транзисторы соединяют транзистор с биочувствительным слоем, который может специфически обнаруживать биомолекулы, такие как нуклеиновые кислоты и белки. Система Bio-FET состоит из полупроводникового полевого транзистора, который действует как преобразователь, отделенный слоем изолятора (например, SiO 2 ) от биологического распознающего элемента (например, рецепторов или молекул зонда), которые являются селективными по отношению к целевой молекуле, называемой аналитом. [8]Как только аналит связывается с распознающим элементом, распределение заряда на поверхности изменяется с соответствующим изменением электростатического поверхностного потенциала полупроводника. Это изменение поверхностного потенциала полупроводника действует так же, как напряжение затвора в традиционном полевом МОП-транзисторе , то есть изменяет величину тока, который может протекать между электродами истока и стока. [9] Это изменение тока (или проводимости ) можно измерить, таким образом, можно обнаружить связывание аналита. Точное соотношение между током и концентрацией аналита зависит от области работы транзистора . [10]

Изготовление Bio-FET [ править ]

Изготовление системы Bio-FET состоит из следующих этапов:

  1. Нахождение подложки, подходящей для использования в качестве узла полевого транзистора, и формирование полевого транзистора на подложке,
  2. Экспонирование активного сайта полевого транзистора из субстрата,
  3. Обеспечение слоя чувствительной пленки на активном участке полевого транзистора,
  4. Обеспечение рецептора на слое чувствительной пленки, чтобы его можно было использовать для обнаружения ионов,
  5. Удаление полупроводникового слоя и утончение диэлектрического слоя,
  6. Травление оставшейся части диэлектрического слоя, чтобы обнажить активный сайт полевого транзистора,
  7. Удаление фоторезиста и нанесение слоя чувствительной пленки с последующим формированием рисунка фоторезиста на чувствительной пленке,
  8. Травление незащищенной части слоя чувствительной пленки и удаление фоторезиста [11]

Преимущества [ править ]

Принцип работы устройств Bio-FET основан на обнаружении изменения электростатического потенциала из-за связывания аналита. Это тот же механизм работы, что и стеклянный электрод.датчики, которые также обнаруживают изменения поверхностного потенциала, но были разработаны еще в 1920-х годах. Из-за небольшой величины изменений поверхностного потенциала при связывании биомолекул или изменении pH стеклянным электродам требуется усилитель с высоким импедансом, что увеличивает размер и стоимость устройства. Напротив, преимущество устройств Bio-FET заключается в том, что они работают как внутренний усилитель, преобразуя небольшие изменения поверхностного потенциала в большие изменения тока (через компонент транзистора) без необходимости в дополнительных схемах. Это означает, что BioFET могут быть намного меньше и доступнее, чем биосенсоры на основе стеклянных электродов . Если транзистор работает в подпороговой области, то ожидается экспоненциальное увеличение тока для единичного изменения поверхностного потенциала.

Био-полевые транзисторы могут использоваться для обнаружения в таких областях, как медицинская диагностика , [12] [11] биологические исследования, защита окружающей среды и анализ пищевых продуктов. Обычные измерения, такие как оптические, спектрометрические, электрохимические измерения и измерения ППР, также могут использоваться для анализа биологических молекул. Тем не менее, эти традиционные методы относительно трудоемки и дороги, включают многоступенчатые процессы и также несовместимы с мониторингом в реальном времени [13], в отличие от Bio-FET. Био-полевые транзисторы имеют малый вес, низкую стоимость массового производства, небольшие размеры и совместимы с коммерческими планарными процессами для крупномасштабных схем. Их можно легко интегрировать в цифровые микрофлюидные устройства для Lab-on-a-chip.. Например, микрожидкостное устройство может управлять переносом капель пробы, обеспечивая при этом обнаружение биомолекул, обработку сигналов и передачу данных с помощью универсального чипа . [14] Bio-FET также не требует какой-либо стадии мечения [13] и просто использует определенную молекулу (например, антитело, оцДНК [15] ) на поверхности сенсора для обеспечения селективности. Некоторые био-полевые транзисторы обладают удивительными электронными и оптическими свойствами. Примером полевого транзистора может быть глюкозочувствительный элемент, основанный на модификации поверхности затвора ISFET с помощью SiO 2.наночастицы и фермент глюкозооксидаза (GOD); это устройство продемонстрировало явно повышенную чувствительность и увеличенный срок службы по сравнению с устройством без наночастиц SiO 2 . [16]

Био-FET классифицируются на основе элемента био-распознавания, используемого для обнаружения: En-FET, который представляет собой модифицированный ферментом FET, Immuno-FET, который представляет собой иммунологически модифицированный FET, DNA-FET, который представляет собой модифицированный ДНК FET, CPFET, который является Полевые транзисторы с клеточным потенциалом, полевые транзисторы на основе жуков / чипов и искусственные полевые транзисторы на основе биологических полевых транзисторов. [7]

Оптимизация [ править ]

Выбор электрода сравнения (жидкий затвор) или напряжения заднего затвора определяет концентрацию носителей в полевом транзисторе и, следовательно, его рабочую область, поэтому отклик устройства можно оптимизировать путем настройки напряжения затвора. Если транзистор работает в подпороговой области, то ожидается экспоненциальное увеличение тока для единичного изменения поверхностного потенциала. Ответ часто описывается как изменение тока связывания аналита, деленное на начальный ток ( ), и это значение всегда является максимальным в подпороговой области работы из-за этого экспоненциального усиления. [10] [17] [18] [19]Для большинства устройств оптимальное отношение сигнал / шум, определяемое как изменение тока, деленное на базовый шум, ( ) также достигается при работе в подпороговой области [10] [20], однако, поскольку источники шума различаются между устройствами, это зависит от устройства. [21]

Одной из оптимизаций Bio-FET может быть нанесение гидрофобной пассивирующей поверхности на источник и сток для уменьшения неспецифического биомолекулярного связывания с областями, которые не являются сенсорной поверхностью. [22] [23] Многие другие стратегии оптимизации были рассмотрены в литературе. [10] [24] [25]

История [ править ]

МОП - транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор, или МОП - транзистор) был изобретен Mohamed М. Atalla и Давон Канг в 1959 году, и продемонстрировано в 1960 г. [26] Через два года, Леланд С. Кларк и Лайонс весе изобрели первый биосенсор в 1962 году. [27] [28] Биосенсорные МОП-транзисторы (BioFET) были позже разработаны, и с тех пор они широко используются для измерения физических , химических , биологических и экологических параметров. [3]

Первым BioFET был ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET), изобретенный Питом Бергвельдом для электрохимических и биологических применений в 1970 году. [29] [30] Другие ранние BioFET включают адсорбционный полевой транзистор (ADFET), запатентованный PF Cox в 1974 году. , и чувствительный к водороду MOSFET, продемонстрированный I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson и L. Lundkvist в 1975 году. [3] ISFET - это особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии, [3] и где металлический затвор заменен ионно- чувствительныммембрана , раствор электролита и электрод сравнения . [31] ISFET широко используется в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК , обнаружение биомаркеров в крови , обнаружение антител , измерение глюкозы, определение pH и генетические технологии . [31]

К середине 1980-х годов были разработаны другие полевые транзисторы BioFET , в том числе полевой транзистор газового датчика (GASFET), полевой транзистор датчика давления (PRESSFET), химический полевой транзистор (ChemFET), эталонный ISFET (REFET), полевой транзистор, модифицированный ферментами (ENFET) и иммунологически модифицированный полевой транзистор (IMFET). [3] В начале 2000 - х годов, BioFETs , такие как ДНК - полевого транзистора (DNAFET), ген-модифицированных полевых транзисторах (GenFET), а также клетки-потенциал был разработан BioFET (CPFET). [31] Текущие исследования в этой области привели к появлению новых форм BioFET, таких как полевые транзисторы с органическим электролитом (OEGFET). [32]

См. Также [ править ]

  • ChemFET : химически чувствительный полевой транзистор
  • ISFET : ионно-чувствительный полевой транзистор

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Маддалена, Франческо; Kuiper, Marjon J .; Пулмен, Берт; Брауэр, Франк; Hummelen, Jan C .; de Leeuw, Dago M .; Де Бур, Берт; Блом, Пол WM (2010). «Биосенсоры на основе органических полевых транзисторов, функционализированные белковыми рецепторами» (PDF) . Журнал прикладной физики . 108 (12): 124501. дои : 10,1063 / 1,3518681 . ISSN  0021-8979 .
  2. ^ Goldsmith, Brett R .; Locascio, Лорен; Гао, Иннин; Лернер, Митчелл; Уокер, Эми; Лернер, Джереми; Кьяу, Джайла; Шу, Анджела; Афсахи, Саванна; Пан, Дэн; Нокс, Джоли; Бэррон, Фрэнси (2019). «Цифровое биосенсирование с помощью датчиков графена, изготовленных в литейном производстве» . Научные отчеты . 9 (1): 434. DOI : 10.1038 / s41598-019-38700-ш . ISSN 2045-2322 . PMC 6342992 . PMID 30670783 .   
  3. ^ Б с д е е Bergveld, Пита (октябрь 1985). «Влияние датчиков на основе MOSFET» (PDF) . Датчики и исполнительные механизмы . 8 (2): 109–127. DOI : 10.1016 / 0250-6874 (85) 87009-8 . ISSN 0250-6874 .  
  4. ^ Brand, U .; Брандес, Л .; Koch, V .; Куллик, Т .; Reinhardt, B .; Rüther, F .; Scheper, T .; Schügerl, K .; Wang, S .; Wu, X .; Ferretti, R .; Prasad, S .; Вильгельм Д. (1991). «Мониторинг и контроль биотехнологических производственных процессов с помощью датчиков Bio-FET-FIA». Прикладная микробиология и биотехнология . 36 (2): 167–172. DOI : 10.1007 / BF00164414 . ISSN 0175-7598 . PMID 1368106 .  
  5. ^ Лин, MC; Чу, CJ; Цай, LC; Lin, HY; Wu, CS; Wu, YP; Wu, YN; Shieh, DB; Су, Ю.В. (2007). «Контроль и обнаружение поляризации органосилана на нанопроволочных полевых транзисторах». Нано-буквы . 7 (12): 3656–3661. CiteSeerX 10.1.1.575.5601 . DOI : 10.1021 / nl0719170 . 
  6. ^ Ли, Joonhyung; Дак, Пиюш; Ли, Йонсон; Пак, Хикён; Чой, Вунг; Алам, Мухаммад А .; Ким, Sunkook (2014). «Двухмерные многослойные биосенсоры MoS2 обеспечивают высокочувствительное обнаружение биомолекул» . Научные отчеты . 4 (1): 7352. DOI : 10.1038 / srep07352 . ISSN 2045-2322 . PMC 4268637 . PMID 25516382 .   
  7. ^ a b c Шёнинг, Майкл Дж .; Погосян, Аршак (2002). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 127 (9): 1137–1151. DOI : 10.1039 / B204444G . ISSN 0003-2654 . PMID 12375833 .   
  8. ^ Алена Булыха, Клеменс Хайцингер и Норберт Дж. Маузер: Биосенсоры: моделирование и имитация биологически чувствительных полевых транзисторов, Новости ERCIM, 04,2011.
  9. ^ Мацумото, А; Мияхара, Y (21 ноября 2013 г.). «Текущие и возникающие проблемы биочувствительности на основе полевых транзисторов». Наноразмер . 5 (22): 10702–10718. DOI : 10.1039 / c3nr02703a . PMID 24064964 . 
  10. ^ a b c d Лоу, Бенджамин М .; Солнце, Кай; Зеймпекис, Иоаннис; Скайларис, Крис-Критон; Грин, Николас Г. (2017). «Полевые датчики - от измерения pH до биочувствительности: повышение чувствительности с использованием стрептавидин-биотина в качестве модельной системы» . Аналитик . 142 (22): 4173–4200. DOI : 10.1039 / c7an00455a . ISSN 0003-2654 . PMID 29072718 .  
  11. ^ a b Юджи Мияхара, Тошия Саката, Акира Мацумото: микробиогенетический анализ на основе полевых транзисторов, принципы обнаружения бактерий: биосенсоры, рецепторы распознавания и микросистемы.
  12. ^ Погосян, А .; Черствый, А .; Ingebrandt, S .; Offenhäusser, A .; Шёнинг, MJ (2005). «Возможности и ограничения безметочного определения гибридизации ДНК с устройствами на основе полевого эффекта». Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 111–112: 470–480. DOI : 10.1016 / j.snb.2005.03.083 . ISSN 0925-4005 . 
  13. ^ a b K.Y. Park, MSKim, KMPark и SYChoi: Изготовление датчика BioFET для одновременного обнаружения белка и ДНК, Electrochem.org.
  14. ↑ Choi K, Kim JY, Ahn JH, Choi JM, Im M, Choi YK: Интеграция биосенсоров на основе полевых транзисторов с цифровым микрофлюидным устройством для приложения «лаборатория на кристалле», Lab Chip., 2012 апр.
  15. ^ Чу, Чиа-Юнг; Ага, Чиа-Сен; Ляо, Чун-Кай; Цай, Ли-Чу; Хуанг, Чун-Мин; Линь, Хун-И; Шюэ, Цзин-Чжон; Чен, Ит-Цонг; Чен, Чии-Донг (2013). «Повышение чувствительности нанопроволоки путем выравнивания электрического поля поверхностных исследуемых молекул». Нано-буквы . 13 (6): 2564–2569. DOI : 10.1021 / nl400645j . PMID 23634905 . 
  16. ↑ Jing-Juan Xu, Xi-Liang Luo и Hong-Yuan Chen: АНАЛИТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОСЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ FET, Frontiers in Bioscience, 10, 420-430, 1 января 2005 г.
  17. ^ Саркар, Деблина; Лю, Вэй; Се, Сюэцзюнь; Ансельмо, Аарон С.; Митраготри, Самир; Банерджи, Каустав (2014). «Транзистор с полевым эффектом MoS2 для биосенсоров нового поколения без этикеток». САУ Нано . 8 (4): 3992–4003. DOI : 10.1021 / nn5009148 . ISSN 1936-0851 . PMID 24588742 .  
  18. ^ Вэнь, Сюэцзинь; Гупта, Самит; Николсон, Теодор Р .; Ли, Стивен С .; Лу, Ву (2011). «Биосенсоры AlGaN / GaN HFET, работающие в подпороговом режиме для повышения чувствительности». Physica Статус Solidi C . 8 (7–8): 2489–2491. DOI : 10.1002 / pssc.201001174 . ISSN 1862-6351 . 
  19. ^ Солнце, К; Зеймпекис, I; Hu, C; Дитшего, СМП; Томас, О; де Планк, MRR; Чонг, HMH; Морган, Н; Эшберн, П. (2016). «Влияние подпороговой крутизны на чувствительность датчиков наноленты» (PDF) . Нанотехнологии . 27 (28): 285501. DOI : 10,1088 / 0957-4484 / 27/28/285501 . ISSN 0957-4484 . PMID 27255984 .   
  20. ^ Гао, Сюань ПА; Чжэн, Гэнфэн; Либер, Чарльз М. (2010). «Подпороговый режим имеет оптимальную чувствительность для нанопроволочных биосенсоров на полевых транзисторах» . Нано-буквы . 10 (2): 547–552. DOI : 10.1021 / nl9034219 . ISSN 1530-6984 . PMC 2820132 . PMID 19908823 .   
  21. ^ Раджан, Нитин К .; Рутенберг, Дэвид А .; Рид, Марк А. (2011). «Оптимальное соотношение сигнал / шум для биохимических сенсоров из кремниевых нанопроволок» . Письма по прикладной физике . 98 (26): 264107–264107–3. DOI : 10.1063 / 1.3608155 . ISSN 0003-6951 . PMC 3144966 . PMID 21799538 .   
  22. ^ Kim JY, Choi K, Moon DI, Ahn JH, Park TJ, Lee SY, Choi YK: Поверхностная инженерия для повышения чувствительности биосенсора с перекрывающимся полевым транзистором путем контроля смачиваемости, Biosens Bioelectron., 2013
  23. ^ А. Финн, Дж. Алдерман, Дж. Швейцер: К ОПТИМИЗАЦИИ БИО-ДАТЧИКОВ НА ОСНОВЕ полевых транзисторов, European Cells and Materials, Vol. 4. Дополнение. 2, 2002 (страницы 21-23)
  24. ^ Шёнинг, Майкл Дж .; Погосян, Аршак (2002). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 127 (9): 1137–1151. DOI : 10.1039 / b204444g . ISSN 0003-2654 . PMID 12375833 .   
  25. ^ Шёнинг, Майкл Дж .; Погосян, Аршак (2006). «Био ФЭД (устройства с полевым эффектом): современное состояние и новые направления». Электроанализ . 18 (19–20): 1893–1900. DOI : 10.1002 / elan.200603609 . ISSN 1040-0397 . 
  26. ^ "1960: Металлооксидный полупроводниковый (МОП) транзистор продемонстрирован" . Кремниевый двигатель: хронология полупроводников в компьютерах . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 года .
  27. ^ Парк, Иео; Нгуен, Хоанг Хип; Вубит, Абдела; Ким, Мунил (2014). "Применение полевых транзисторов (FET) - тип биосенсоров" . Прикладная наука и технология конвергенции . 23 (2): 61–71. DOI : 10.5757 / ASCT.2014.23.2.61 . ISSN 2288-6559 . S2CID 55557610 .  
  28. ^ Кларк, Лиланд С .; Лион, Чемпион (1962). «Электродные системы для непрерывного мониторинга в сердечно-сосудистой хирургии». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 102 (1): 29–45. DOI : 10.1111 / j.1749-6632.1962.tb13623.x . ISSN 1749-6632 . PMID 14021529 .  
  29. ^ Крис Тумазу; Пантелис Георгиу (декабрь 2011 г.). «40 лет технологии ISFET: от нейронального зондирования до секвенирования ДНК» . Письма об электронике . Дата обращения 13 мая 2016 .
  30. ^ Bergveld, P. (январь 1970). «Разработка ионно-чувствительного твердотельного устройства для нейрофизиологических измерений». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии . БМЕ-17 (1): 70–71. DOI : 10.1109 / TBME.1970.4502688 . PMID 5441220 . 
  31. ^ a b c Шёнинг, Майкл Дж .; Погосян, Аршак (10 сентября 2002 г.). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 127 (9): 1137–1151. DOI : 10.1039 / B204444G . ISSN 1364-5528 . PMID 12375833 .   
  32. ^ Мэсси, Рослин; Бебе. S; Пракаш, Р. (июль 2020 г.). "Органический электролитно-управляемый биосенсор на полевых транзисторах с повышенным содержанием аптамеров для высокоспецифичного обнаружения кортизола" . Письма о датчиках IEEE . 4 (7): 1–4. DOI : 10,1109 / LSENS.2020.3002446 .