
Біосенсор на основі польового транзистора, також відомий як біосенсорний польовий транзистор (Bio-FET або BioFET), польовий біосенсор (FEB) або біосенсорний MOSFET, - це польовий транзистор (на основі структури MOSFET), який відкривається за рахунок зміни поверхневого потенціалу, викликаного зв'язуванням молекул. Коли заряджені молекули, такі як біомолекули, зв'язуються з затвором FET, який зазвичай є діелектричним матеріалом, вони можуть змінювати розподіл заряду основного напівпровідникового матеріалу, що призводить до зміни провідності каналу FET. Bio-FET складається з двох основних відсіків: один з них є біологічним розпізнавальним елементом, а інший - польовим транзистором. Структура BioFET в значній мірі заснована на іонно-чутливому польовому транзисторі (ISFET), типі польового транзистора метал-оксид-напівпровідник (MOSFET), де металевий затвор замінений іонно-чутливою мембраною, розчином електроліту і електродом порівняння.

У типовому BioFET електрично і хімічно ізолюючий шар (наприклад, діоксид кремнію) відокремлює розчин аналіту від напівпровідникового пристрою. Полімерний шар, найчастіше APTES, використовується для хімічного зв'язування поверхні з рецептором, специфічним до аналіту (наприклад, біотин або антитіло). Після зв'язування аналіту відбувається зміна електростатичного потенціалу на поверхні шару електроліту-ізолятора, що, в свою чергу, призводить до електростатичного затворного ефекту напівпровідникового пристрою і вимірюваної зміни струму між вихідним і стоковим електродами.

Механізм роботи

Біо-транзистори поєднують транзисторний пристрій з біо-чутливим шаром, який може специфічно виявляти біомолекули, такі як нуклеїнові кислоти та білки. Система Bio-FET складається з напівпровідникового польового транзистора, який діє як перетворювач, відокремлений шаром ізолятора (наприклад, SiO2) від біологічного елемента розпізнавання (наприклад, рецепторів або молекул-зондів), які є селективними до цільової молекули, що називається аналітом. Як тільки аналіт зв'язується з елементом розпізнавання, розподіл заряду на поверхні змінюється з відповідною зміною електростатичного поверхневого потенціалу напівпровідника. Ця зміна поверхневого потенціалу напівпровідника діє як напруга на затворі в традиційному MOSFET, тобто змінює величину струму, який може протікати між вихідним і стоковим електродами. Ця зміна струму (або провідності) може бути виміряна, таким чином, можна виявити зв'язування аналіту. Точний взаємозв'язок між струмом і концентрацією аналіту залежить від області роботи транзистора.

Виготовлення Bio-FET

Виготовлення системи Bio-FET складається з декількох наступних етапів:

# Пошук підкладки, придатної для розміщення ФЕП, та формування ФЕП на підкладці,
# Виділення активної ділянки ФЕП з підкладки,
# Нанесення шару чутливої плівки на активну ділянку ФЕП,
# Нанесення на шар чутливої плівки рецептора, який буде використовуватися для детектування іонів,
# Видалення напівпровідникового шару та потоншення діелектричного шару,
# Травлення частини діелектричного шару, що залишилася, щоб оголити активну ділянку ФЕП,
# видалення фоторезисту та нанесення шару чутливої плівки з подальшим формуванням малюнка фоторезисту на чутливій плівці,
# травлення незахищеної частини шару чутливої плівки та видалення фоторезисту.

Переваги

Принцип дії Bio-FET приладів заснований на детектуванні зміни електростатичного потенціалу внаслідок зв'язування аналіту. Це той самий механізм роботи, що й у сенсорів зі скляними електродами, які також реєструють зміни поверхневого потенціалу, але були розроблені ще в 1920-х роках. Через малу величину зміни поверхневого потенціалу при зв'язуванні біомолекул або зміні рН скляні електроди потребують високоімпедансного підсилювача, що збільшує розмір і вартість приладу. На відміну від цього, перевага пристроїв Bio-FET полягає в тому, що вони працюють як внутрішній підсилювач, перетворюючи невеликі зміни поверхневого потенціалу в великі зміни струму (через транзисторний компонент) без необхідності використання додаткової схеми. Це означає, що біосенсори BioFET можуть бути набагато меншими і доступнішими, ніж біосенсори на основі скляних електродів. Якщо транзистор працює в підпороговій області, то очікується експоненціальне збільшення струму на одиницю зміни поверхневого потенціалу.

Біо-ФЕП можуть використовуватися для виявлення в таких галузях, як медична діагностика, біологічні дослідження, захист навколишнього середовища та аналіз харчових продуктів. Для аналізу біологічних молекул також можна використовувати традиційні вимірювання, такі як оптичні, спектрометричні, електрохімічні та SPR-вимірювання. Тим не менш, ці традиційні методи відносно трудомісткі і дорогі, включають багатоетапні процеси, а також не сумісні з моніторингом в реальному часі, на відміну від Bio-FET. Біо-транзистори мають малу вагу, низьку вартість масового виробництва, невеликі розміри і сумісні з комерційними планарними процесами для великомасштабних схем. Вони можуть бути легко інтегровані в цифрові мікрофлюїдні пристрої для лабораторій на кристалі. Наприклад, мікрофлюїдний пристрій може керувати транспортуванням крапель зразка, забезпечуючи при цьому виявлення біомолекул, обробку сигналів і передачу даних за допомогою універсальної мікросхеми. Bio-FET також не вимагає ніякого етапу маркування, а просто використовує специфічну молекулу (наприклад, антитіло, ssDNA) на поверхні датчика для забезпечення селективності. Деякі біо-FET демонструють захоплюючі електронні та оптичні властивості. Прикладом може слугувати глюкозочутливий FET, заснований на модифікації поверхні затвора ISFET наночастинками SiO2 та ферментом глюкозооксидазою (GOD); цей пристрій показав очевидно підвищену чутливість та подовжений термін служби порівняно з пристроєм без наночастинок SiO2.
Біо-FET класифікуються на основі біорозпізнавального елемента, що використовується для виявлення: En-FET - ферментно-модифікований FET, Immuno-FET - імунологічно модифікований FET, DNA-FET - ДНК-модифікований FET, CPFET - клітинно-потенційний FET, beetle/chip FET та штучні BioFET на основі.

Оптимізація

Вибір електрода порівняння (рідкий затвор) або напруги на затворі визначає концентрацію носіїв всередині польового транзистора, а отже, і область його роботи, тому відгук приладу може бути оптимізований шляхом налаштування напруги на затворі. Якщо транзистор працює в підпороговій області, то очікується експоненціальне збільшення струму на одиницю зміни поверхневого потенціалу. Відгук часто подається як зміна струму зв'язування аналіту, поділена на початковий струм (), і ця величина завжди максимальна в підпороговій області роботи через це експоненціальне підсилення. Для більшості пристроїв оптимальне співвідношення сигнал/шум, що визначається як зміна струму, поділена на базовий шум, () також досягається при роботі в підпороговій області, однак, оскільки джерела шуму різняться між пристроями, це залежить від пристрою.

Однією з оптимізацій Bio-FET може бути нанесення гідрофобної пасиваційної поверхні на джерело і стік для зменшення неспецифічного зв'язування біомолекул з областями, які не є чутливою поверхнею. Багато інших стратегій оптимізації були розглянуті в літературі. Many other optimisation strategies have been reviewed in the literature.

Історія

MOSFET (польовий транзистор метал-оксид-напівпровідник, або МОП-транзистор) був винайдений Мохамедом М. Аталлою і Давоном Кангом в 1959 році і продемонстрований в 1960 році. Через два роки Ліланд Кларк (Leland C. Clark) і Чемп Лайонс (Champ Lyons) винайшли перший біосенсор в 1962 році. Пізніше були розроблені біосенсорні МОП-транзистори (BioFET), які з тих пір широко використовуються для вимірювання фізичних, хімічних, біологічних і екологічних параметрів.

Першим біосенсором був іонно-чутливий польовий транзистор (ISFET), винайдений Пітом Бергвельдом для електрохімічних і біологічних застосувань в 1970 році. Інші ранні біологічно активні транзистори включають адсорбційний польовий транзистор (ADFET), запатентований П.Ф. Коксом в 1974 році, і чутливий до водню MOSFET, продемонстрований І. Лундстромом, М.С. Шивараманом, К.С. Свенсоном і Л. Лундквістом в 1975 році. МДН-транзистор є особливим типом МДН-транзистора з затвором на певній відстані, де металевий затвор замінений іонно-чутливою мембраною, розчином електроліту і електродом порівняння. ISFET широко використовується в біомедичних додатках, таких як виявлення гібридизації ДНК, виявлення біомаркерів з крові, виявлення антитіл, вимірювання рівня глюкози, вимірювання рН та генетичні технології.

До середини 1980-х років були розроблені й інші біологічні транзистори, в тому числі газовий датчик FET (GASFET), датчик тиску FET (PRESSFET), хімічний польовий транзистор (ChemFET), еталонний ISFET (REFET), ферментно-модифікований FET (ENFET) та імунологічно модифікований FET (IMFET). На початку 2000-х років були розроблені такі біотранзистори, як польовий транзистор на основі ДНК (DNAFET), генно-модифікований польовий транзистор (GenFET) та біотранзистор з клітинним потенціалом (CPFET). Поточні дослідження в цій галузі призвели до появи нових різновидів BioFET, таких як органічний електролітний затвор FET (OEGFET).

Примітки
 


