✖


Jump to content

Био-FET

(Перенаправлено с BioFET )

Биосенсор на основе полевого транзистора , также известный как биосенсорный полевой транзистор ( Bio-FET). [1] или BioFET ), полевой биосенсор ( FEB ), [2] или биосенсор MOSFET , [3] представляет собой полевой транзистор (на основе структуры MOSFET ) [3] Это обусловлено изменениями поверхностного потенциала, вызванными связыванием молекул . Когда заряженные молекулы, такие как биомолекулы , связываются с затвором полевого транзистора, который обычно представляет собой диэлектрический материал, они могут изменить распределение заряда основного полупроводникового материала, что приводит к изменению проводимости канала полевого транзистора. [4] [5] Bio-FET состоит из двух основных отсеков: один — элемент биологического распознавания, а другой — полевой транзистор. [1] [6] Структура BioFET во многом основана на ионно-чувствительном полевом транзисторе (ISFET), типе полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET), в котором металлический затвор заменен ионно -чувствительной мембраной , электролита раствором , и электрод сравнения . [7]

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

Механизм работы

[ редактировать ]

Био-полевые транзисторы соединяют транзисторное устройство 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 изолирующим слоем (например, SiO 2 ) от элемента биологического распознавания (например, рецепторов или молекул-зондов), которые селективны по отношению к целевой молекуле, называемой аналитом. [8] Как только аналит связывается с распознавающим элементом, распределение заряда на поверхности меняется с соответствующим изменением электростатического поверхностного потенциала полупроводника. Это изменение поверхностного потенциала полупроводника действует так же, как напряжение затвора в традиционном МОП-транзисторе , т. е. 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. Точная связь между током и концентрацией аналита зависит от региона работы транзистора . [10]

Изготовление био-полевых транзисторов

[ редактировать ]

Изготовление системы Bio-FET состоит из нескольких этапов:

  1. Нахождение подложки, подходящей для использования в качестве площадки полевого транзистора, и формирование полевого транзистора на подложке,
  2. Выделение активного сайта полевого транзистора из подложки,
  3. Обеспечение слоя чувствительной пленки на активной площадке полевого транзистора,
  4. Предоставление рецептора на слое чувствительной пленки для использования для обнаружения ионов,
  5. Удаление полупроводникового слоя и утончение диэлектрического слоя,
  6. Травление оставшейся части диэлектрического слоя для обнажения активного участка 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

[ редактировать ]

Принцип работы устройств Bio-FET основан на обнаружении изменений электростатического потенциала вследствие связывания аналита. Это тот же механизм работы, что и у датчиков со стеклянными электродами , 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 стеклянные электроды требуют усилителя с высоким импедансом, что увеличивает размер и стоимость устройства. Напротив, преимущество устройств Bio-FET заключается в том, что они работают как собственный усилитель, преобразуя небольшие изменения поверхностного потенциала в большие изменения тока (через транзисторный компонент) без необходимости использования дополнительных схем. Это означает, что BioFET могут быть намного меньше и доступнее, чем биосенсоры на основе стеклянных электродов . Если транзистор работает в подпороговой области , то при единичном изменении поверхностного потенциала ожидается экспоненциальный рост тока.

Биопоптические транзисторы могут использоваться для обнаружения в таких областях, как медицинская диагностика , [12] [11] биологические исследования, охрана 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 являются относительно трудоемкими и дорогостоящими, включают в себя многоэтапные процессы, а 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 «лаборатории на чипе» . Например, микрофлюидное устройство может контролировать транспортировку капель образца, обеспечивая при этом обнаружение биомолекул, обработку сигналов и передачу данных с помощью универсального чипа . [14] Bio-FET также не требует какого-либо этапа маркировки. [13] и просто использовать конкретную молекулу (например, антитело, оцДНК [15] ) на поверхности датчика для обеспечения селективности. Некоторые биополевые транзисторы обладают потрясающими электронными и оптическими свойствами. Примером полевого транзистора может быть чувствительный к глюкозе, основанный на модификации поверхности затвора ISFET наночастицами SiO 2 и ферментом глюкозооксидазой (GOD); это устройство показало явно повышенную чувствительность и увеличенный срок службы по сравнению с устройством без наночастиц SiO 2 . [16]

Bio-FET классифицируются в зависимости от элемента биораспознавания, используемого для обнаружения: En-FET, который представляет собой полевой транзистор, модифицированный ферментами, Immuno-FET, который представляет собой иммунологически модифицированный полевой транзистор, DNA-FET, который представляет собой полевой транзистор, модифицированный ДНК, CPFET, который Полевой транзистор с клеточным потенциалом, полевой транзистор на основе жука/чипа и искусственный биотранзистор на основе биополевого транзистора. [7]

Оптимизация

[ редактировать ]

Выбор опорного электрода (жидкий затвор) или напряжения обратного затвора определяет концентрацию носителей внутри полевого транзистора и, следовательно, область его работы, поэтому отклик устройства можно оптимизировать путем настройки напряжения на затворе. Если транзистор работает в подпороговой области , то при единичном изменении поверхностного потенциала ожидается экспоненциальное увеличение тока. Ответ часто выражается как изменение тока связывания аналита, деленное на начальный ток ( ), и это значение всегда максимально в подпороговой области работы из-за этого экспоненциального усиления. [10] [17] [18] [19] Для большинства устройств оптимальное соотношение сигнал/шум определяется как изменение тока, деленное на базовый шум ( ) также получается 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 размещение гидрофобной пассивирующей поверхности на источнике и стоке для уменьшения неспецифического биомолекулярного связывания с областями, которые не являются чувствительной поверхностью. [22] [23] В литературе рассмотрены многие другие стратегии оптимизации. [10] [24] [25]

История

[ редактировать ]

МОП -транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник или МОП-транзистор) был изобретен Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в 1959 году и продемонстрирован в 1960 году. [26] Два года спустя Леланд Кларк и Чемп Лайонс изобрели первый биосенсор в 1962 году. [27] [28] Позже были разработаны биосенсорные МОП-транзисторы (BioFET), которые с тех пор широко используются для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . [3]

Первым BioFET был ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET), изобретенный Питом Бергвелдом для электрохимических и биологических применений в 1970 году. [29] [30] Другие ранние BioFET включают адсорбционный полевой транзистор (ADFET), запатентованный П. Ф. Коксом в 1974 году, и чувствительный к водороду МОП-транзистор, продемонстрированный И. Лундстремом, М. С. Шивараманом, К. С. Свенсоном и Л. Лундквистом в 1975 году. [3] ISFET — это особый тип MOSFET с затвором на определенном расстоянии. [3] и где металлический затвор заменен ионочувствительной сравнения мембраной , раствором электролита и электродом . [31] ISFET широко используется в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК , обнаружение биомаркеров в крови , обнаружение антител , глюкозы измерение уровня , измерение pH и генетические технологии . [31]

К середине 1980-х годов были разработаны другие BioFET, в том числе полевой транзистор с датчиком газа (GASFET), полевой транзистор с датчиком давления (PRESSFET), химический полевой транзистор (ChemFET), эталонный ISFET (REFET), ферментно-модифицированный полевой транзистор (ENFET). и иммунологически модифицированный полевой транзистор (IMFET). [3] такие BioFET, как ДНК-полевой транзистор (DNAFET), генно-модифицированный полевой транзистор (GenFET) и BioFET с клеточным потенциалом (CPFET). К началу 2000-х годов были разработаны [31] Текущие исследования в этой области привели к появлению новых форм BioFET, таких как полевой транзистор с органическим электролитом (OEGFET). [32]

См. также

[ редактировать ]
  • ChemFET : химически чувствительный полевой транзистор.
  • ISFET : ионно-чувствительный полевой транзистор.

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Перейти обратно: а б Маддалена, Франческо; Койпер, Марджон Дж.; Пулман, Берт; Брауэр, Фрэнк; Хуммелен, Ян Дж.; Лев, Даго М.; Де Бур, Берт; Блом, Пол ВМ (2010). «Биосенсоры на основе органических полевых транзисторов, функционализированные белковыми рецепторами» (PDF) . Журнал прикладной физики . 108 (12): 124501–124501–4. Бибкод : 2010JAP...108l4501M . дои : 10.1063/1.3518681 . ISSN   0021-8979 .
  2. ^ Голдсмит, Бретт Р.; Локашио, Лорен; Гао, Иннин; Лернер, Митчелл; Уокер, Эми; Лернер, Джереми; Чьяу, Джейла; Шу, Анджела; Афсахи, Саванна; Пан, Дэн; Ноукс, Джоли; Бэррон, Фрэнси (2019). «Цифровое биосенсорство с помощью графеновых сенсоров, изготовленных в литейном производстве» . Научные отчеты . 9 (1): 434. arXiv : 1808.05557 . Бибкод : 2019НатСР...9..434Г . doi : 10.1038/s41598-019-38700-w . ISSN   2045-2322 . ПМК   6342992 . ПМИД   30670783 .
  3. ^ Перейти обратно: а б с д и ж Бергвельд, Пит (октябрь 1985 г.). «Воздействие датчиков на основе MOSFET» (PDF) . Датчики и исполнительные механизмы . 8 (2): 109–127. дои : 10.1016/0250-6874(85)87009-8 . ISSN   0250-6874 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2021 г. Проверено 9 октября 2019 г.
  4. ^ Бранд, У.; Брандес, Л.; Кох, В.; Куллик Т.; Рейнхардт, Б.; Рютер, Ф.; Шепер, Т.; Шугерль, К.; Ван, С.; Ву, Х.; Ферретти, Р.; Прасад, С.; Вильгельм, Д. (1991). «Мониторинг и контроль биотехнологических производственных процессов с помощью Bio-FET-FIA-сенсоров». Прикладная микробиология и биотехнология . 36 (2): 167–172. дои : 10.1007/BF00164414 . hdl : 10033/623808 . ISSN   0175-7598 . ПМИД   1368106 . S2CID   3122101 .
  5. ^ Лин, MC; Чу, CJ; Цай, ЛК; Лин, HY; Ву, CS; Ву, Ю.П.; Ву, Ю.Н.; Ши, Д.Б.; Су, Ю.В. (2007). «Контроль и обнаружение органосилановой поляризации на нанопроволочных полевых транзисторах». Нано-буквы . 7 (12): 3656–3661. Бибкод : 2007NanoL...7.3656L . CiteSeerX   10.1.1.575.5601 . дои : 10.1021/nl0719170 .
  6. ^ Ли, Джунхён; Дак, Пиюш; Ли, Ёнсон; Пак, Хикён; Чхве, Вунг; Алам, Мухаммед А.; Ким, Сункук (2014). «Двумерные слоистые биосенсоры MoS2 обеспечивают высокочувствительное обнаружение биомолекул» . Научные отчеты . 4 (1): 7352. Бибкод : 2014NatSR...4E7352L . дои : 10.1038/srep07352 . ISSN   2045-2322 . ПМК   4268637 . ПМИД   25516382 .
  7. ^ Перейти обратно: а б с Шенинг, Майкл Дж.; Погосян, Аршак (2002). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 127 (9): 1137–1151. Бибкод : 2002Ана...127.1137С . дои : 10.1039/B204444G . ISSN   0003-2654 . ПМИД   12375833 .
  8. ^ Алена Булыга, Клеменс Хайцингер и Норберт Дж. Маузер: Биосенсоры: моделирование и моделирование биологически чувствительных полевых транзисторов, ERCIM News, 04,2011.
  9. ^ Мацумото, А; Мияхара, Ю. (21 ноября 2013 г.). «Текущие и возникающие проблемы биосенсорства на основе полевых транзисторов». Наномасштаб . 5 (22): 10702–10718. Бибкод : 2013Nanos...510702M . дои : 10.1039/c3nr02703a . ПМИД   24064964 .
  10. ^ Перейти обратно: а б с д Лоу, Бенджамин М.; Сан, Кай; Зеймпекис, Иоаннис; Скиларис, Крис-Критон; Грин, Николас Г. (2017). «Полевые сенсоры – от pH-зондирования к биосенсорству: повышение чувствительности с использованием стрептавидина-биотина в качестве модельной системы» . Аналитик . 142 (22): 4173–4200. Бибкод : 2017Ана...142.4173L . дои : 10.1039/c7an00455a . ISSN   0003-2654 . ПМИД   29072718 .
  11. ^ Перейти обратно: а б Юдзи Мияхара, Тошия Саката, Акира Мацумото: Микробиологический генетический анализ на основе полевых транзисторов, Принципы обнаружения бактерий: биосенсоры, рецепторы распознавания и микросистемы.
  12. ^ Погосян А.; Черствый, А.; Ингебрандт, С.; Оффенхойссер, А.; Шенинг, MJ (2005). «Возможности и ограничения безметочного обнаружения гибридизации ДНК с помощью полевых устройств». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 111–112: 470–480. дои : 10.1016/j.snb.2005.03.083 . ISSN   0925-4005 .
  13. ^ Перейти обратно: а б KYPark, MSKim, KMPark и SYChoi: Изготовление датчика BioFET для одновременного обнаружения белка и ДНК, Electrochem.org.
  14. ^ Чой К., Ким Дж.Ю., Ан Дж.Х., Чой Дж.М., Им М., Чой Ю.К.: Интеграция биосенсоров на основе полевых транзисторов с цифровым микрофлюидным устройством для приложения «лаборатория на чипе», Lab Chip., апрель 2012 г.
  15. ^ Чу, Цзя-Юнг; Да, Чиа-Сен; Ляо, Чун-Кай; Цай, Ли-Чу; Хуан, Чун-Мин; Линь, Хун-И; Шюэ, Цзин-Джонг; Чен, Йит-Цонг; Чен, Чии-Донг (2013). «Улучшение возможностей обнаружения нанопроволоки путем выравнивания электрического поля поверхностных молекул-зондов». Нано-буквы . 13 (6): 2564–2569. Бибкод : 2013NanoL..13.2564C . дои : 10.1021/nl400645j . ПМИД   23634905 .
  16. ↑ Цзин-Цзюань Сюй, Си-Лян Луо и Хун-Юань Чен: АНАЛИТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОСЕНСОРОВ НА ПОЛЕВЫХ ПЕТЛЯХ, Frontiers in Bioscience, 10, 420–430, 1 января 2005 г.
  17. ^ Саркар, Деблина; Лю, Вэй; Се, Сюэцзюнь; Ансельм, Аарон К.; Митраготри, Самир; Банерджи, Каустав (2014). «Полевой транзистор MoS2 для биосенсоров нового поколения без меток». АСУ Нано . 8 (4): 3992–4003. дои : 10.1021/nn5009148 . ISSN   1936-0851 . ПМИД   24588742 .
  18. ^ Вэнь, Сюэджин; Гупта, Самит; Николсон, Теодор Р.; Ли, Стивен С.; Лу, Ву (2011). «Биосенсоры AlGaN/GaN HFET, работающие в подпороговом режиме для повышения чувствительности». Физический статус Solidi C . 8 (7–8): 2489–2491. Бибкод : 2011PSSCR...8.2489W . дои : 10.1002/pssc.201001174 . ISSN   1862-6351 .
  19. ^ Солнце, К; Зеймпекис, И; Ху, С; Дитшего, NMJ; Томас, О; де Планк, MRR; Чонг, ХМХ; Морган, Х; Эшберн, П. (2016). «Влияние подпорогового наклона на чувствительность наноленточных датчиков» (PDF) . Нанотехнологии . 27 (28): 285501. Бибкод : 2016Nanot..27B5501S . дои : 10.1088/0957-4484/27/28/285501 . ISSN   0957-4484 . ПМИД   27255984 . S2CID   114429804 .
  20. ^ Гао, Сюань, Пенсильвания; Чжэн, Гэнфэн; Либер, Чарльз М. (2010). «Подпороговый режим обладает оптимальной чувствительностью для нанопроволочных полевых биосенсоров» . Нано-буквы . 10 (2): 547–552. Бибкод : 2010NanoL..10..547G . дои : 10.1021/nl9034219 . ISSN   1530-6984 . ПМК   2820132 . ПМИД   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. Бибкод : 2011ApPhL..98z4107R . дои : 10.1063/1.3608155 . ISSN   0003-6951 . ПМК   3144966 . ПМИД   21799538 .
  22. ^ Ким Дж.Ю., Чой К., Мун Д.И., Ан Дж.Х., Парк Т.Дж., Ли С.Ю., Чой Ю.К.: Инженерия поверхности для повышения чувствительности биосенсора с полевым транзистором с перекрытием путем контроля смачиваемости, Biosens Bioelectron., 2013
  23. ^ А. Финн, Дж. Олдерман, Дж. Швейцер: На пути к оптимизации биосенсоров на основе полевых транзисторов, Европейские клетки и материалы, Vol. 4. Доп. 2, 2002 г. (стр. 21–23)
  24. ^ Шенинг, Майкл Дж.; Погосян, Аршак (2002). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 127 (9): 1137–1151. Бибкод : 2002Ана...127.1137С . дои : 10.1039/b204444g . ISSN   0003-2654 . ПМИД   12375833 .
  25. ^ Шенинг, Майкл Дж.; Погосян, Аршак (2006). «Био ФЭД (полевые устройства): современное состояние и новые направления». Электроанализ . 18 (19–20): 1893–1900. дои : 10.1002/elan.200603609 . ISSN   1040-0397 .
  26. ^ «1960: Демонстрация металлооксидно-полупроводникового (МОП) транзистора» . Кремниевый двигатель: хронология полупроводников в компьютерах . Музей истории компьютеров . Проверено 31 августа 2019 г.
  27. ^ Пак, Джехо; Нгуен, Хоанг Хип; Вубит, Абдела; Ким, Мунил (2014). «Применение биосенсоров полевого транзисторного типа (FET)» . Прикладная наука и конвергентные технологии . 23 (2): 61–71. дои : 10.5757/ASCT.2014.23.2.61 . ISSN   2288-6559 . S2CID   55557610 .
  28. ^ Кларк, Лиланд С .; Лайонс, Чемпион (1962). «Электродные системы для непрерывного мониторинга в сердечно-сосудистой хирургии». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 102 (1): 29–45. Бибкод : 1962NYASA.102...29C . дои : 10.1111/j.1749-6632.1962.tb13623.x . ISSN   1749-6632 . ПМИД   14021529 . S2CID   33342483 .
  29. ^ Крис Тумазу; Пантелис Георгиу (декабрь 2011 г.). «40 лет технологии ISFET: от нейронального зондирования до секвенирования ДНК» . Электронные письма . Проверено 13 мая 2016 г.
  30. ^ Бергвельд, П. (январь 1970 г.). «Разработка ионно-чувствительного твердотельного устройства для нейрофизиологических измерений». Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . БМЭ-17(1): 70–71. дои : 10.1109/TBME.1970.4502688 . ПМИД   5441220 .
  31. ^ Перейти обратно: а б с Шенинг, Майкл Дж.; Погосян, Аршак (10 сентября 2002 г.). «Последние достижения в области биологически чувствительных полевых транзисторов (BioFET)» (PDF) . Аналитик . 127 (9): 1137–1151. Бибкод : 2002Ана...127.1137С . дои : 10.1039/B204444G . ISSN   1364-5528 . ПМИД   12375833 .
  32. ^ Мэсси, Рослин; Бебе. С; Пракаш, Р. (июль 2020 г.). «Аптамер-усиленный органический электролитный полевой биосенсор для высокоспецифичного обнаружения кортизола» . Письма о датчиках IEEE . 4 (7): 1–4. дои : 10.1109/LSENS.2020.3002446 . S2CID   220308070 .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bio-FET&oldid=1223597381"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2ef49b6eb8b2cd4ea55f260aab499994__1715566320
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2e/94/2ef49b6eb8b2cd4ea55f260aab499994.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Bio-FET - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)