Bio-FET - Bio-FET - Wikipedia

A polní tranzistorový biosenzor, také známý jako a tranzistor s efektem pole biosenzoru (Bio-FET[1] nebo BioFET), biosenzor s efektem pole (ÚNOR),[2] nebo biosenzor MOSFET,[3] je tranzistor s efektem pole (založeno na MOSFET struktura)[3] která je brána změnami povrchového potenciálu vyvolanými vazbou molekuly. Když nabité molekuly, jako je např biomolekuly, vázat na bránu FET, což je obvykle a dielektrikum materiálu, mohou změnit rozložení náboje podkladového aktiva polovodič materiál vedoucí ke změně vodivosti kanálu FET.[4][5] Bio-FET se skládá ze dvou hlavních oddílů: jeden je biologický rozpoznávací prvek a druhý je tranzistor s efektem pole.[1][6] Struktura BioFET je do značné míry založena na iontově citlivý tranzistor s efektem pole (ISFET), typ tranzistor s efektem pole oxidu kovu a polovodiče (MOSFET) kde kovová brána se nahrazuje znakem ion -citlivý membrána, elektrolyt řešení a referenční elektroda.[7]

V typickém BioFET je elektricky a chemicky izolační vrstva (např. Oxid křemičitý ) odděluje roztok analytu od polovodičového zařízení. Polymerní vrstva, nejčastěji APTES, se používá k chemickému spojení povrchu s receptorem, který je specifický pro analyt (např. biotin nebo protilátka ). Po navázání analytu dochází ke změnám elektrostatického potenciálu na povrchu elektrolytické izolační vrstvy, což má za následek elektrostatický hradlovací účinek polovodičového zařízení a měřitelnou změnu proudu mezi zdrojovou a odtokovou elektrodou.[7]

Mechanismus provozu

Bio-FET pár a tranzistor zařízení s biologicky citlivou vrstvou, které dokáže specificky detekovat bio-molekuly, jako jsou nukleové kyseliny a proteiny. Systém Bio-FET sestává z polovodiče tranzistor s efektem pole který funguje jako převodník oddělené izolační vrstvou (např. SiO2 ) z biologického rozpoznávacího prvku (např. receptory nebo molekuly sondy), které jsou selektivní k cílové molekule zvané analyt.[8] Jakmile se analyt váže na rozpoznávací prvek, mění se distribuce náboje na povrchu s odpovídající změnou elektrostatického povrchového potenciálu polovodiče. Tato změna povrchového potenciálu polovodiče se chová jako napětí brány tradičně MOSFET, tj. změna množství proudu, který může protékat mezi zdrojem a odtokovými elektrodami.[9] Tato změna proudu (nebo vodivost ) lze měřit, čímž lze detekovat vazbu analytu. Přesný vztah mezi aktuální a koncentrací analytu závisí na oblast provozu tranzistoru.[10]

Výroba bio-FET

Výroba systému Bio-FET se skládá z několika následujících kroků:

  1. Nalezení substrátu vhodného jako FET místo a vytvoření FET na substrátu,
  2. Vystavení aktivního místa FET ze substrátu,
  3. Poskytování snímací filmové vrstvy na aktivním místě FET,
  4. Poskytnutí receptoru na vrstvě snímacího filmu za účelem jeho použití pro detekci iontů,
  5. Odstranění polovodičové vrstvy a ztenčení dielektrické vrstvy,
  6. Leptáním zbývající části dielektrické vrstvy vystavit aktivní místo FET,
  7. Odstranění fotorezistu a uložení vrstvy snímacího filmu s následným vytvořením vzoru fotorezistu na snímacím filmu,
  8. Leptání nechráněné části vrstvy snímacího filmu a odstranění fotorezistu[11]

Výhody

Princip fungování zařízení Bio-FET založený na detekci změn elektrostatického potenciálu v důsledku vazby analytu. Jedná se o stejný mechanismus fungování jako skleněná elektroda senzory, které také detekují změny povrchového potenciálu, ale byly vyvinuty již ve 20. letech 20. století. Vzhledem k malé velikosti změn povrchového potenciálu po navázání biomolekul nebo změně pH vyžadují skleněné elektrody zesilovač s vysokou impedancí, který zvyšuje velikost a cenu zařízení. Výhodou zařízení Bio-FET je naopak to, že fungují jako vnitřní zesilovač, který převádí malé změny povrchového potenciálu na velké změny proudu (prostřednictvím tranzistorové složky) bez nutnosti dalších obvodů. To znamená, že BioFET mají schopnost být mnohem menší a dostupnější než na bázi skleněné elektrody biosenzory. Pokud je tranzistor provozován v podprahová oblast, pak se očekává exponenciální nárůst proudu pro jednotkovou změnu povrchového potenciálu.

Bio-FET lze použít k detekci v oblastech, jako jsou lékařská diagnostika,[12][11] biologický výzkum, ochrana životního prostředí a analýza potravin. K analýze biologických molekul lze také použít běžná měření, jako jsou optická, spektrometrická, elektrochemická a SPR měření. Tyto konvenční metody jsou nicméně relativně časově náročné a nákladné, zahrnují vícestupňové procesy a také nejsou kompatibilní s monitorováním v reálném čase,[13] na rozdíl od Bio-FET. Bio-FET mají nízkou hmotnost, nízké náklady na hromadnou výrobu, malé rozměry a jsou kompatibilní s komerčními planárními procesy pro rozsáhlé obvody. Mohou být snadno integrovány do digitálních mikrofluidních zařízení pro Laboratoř na čipu. Například mikrofluidní zařízení může řídit transport kapiček vzorku a zároveň umožňuje detekci bio-molekul, zpracování signálu a přenos dat pomocí čip typu vše v jednom.[14] Bio-FET rovněž nevyžaduje žádný krok označování,[13] a jednoduše využít konkrétní molekulu (např. protilátku, ssDNA[15]) na povrchu senzoru pro zajištění selektivity. Některé Bio-FET vykazují fascinující elektronické a optické vlastnosti. Příkladem FET by byl glukózově citlivý na základě úpravy povrchu brány ISFET pomocí SiO2 nanočástice a enzym glukózooxidáza (GOD); toto zařízení vykazovalo zjevně zvýšenou citlivost a prodlouženou životnost ve srovnání se zařízením bez SiO2 nanočástice.[16]

Bio-FET jsou klasifikovány na základě biologického rozpoznávacího prvku použitého k detekci: En-FET, což je enzymem modifikovaný FET, Immuno-FET, který je imunologicky modifikovaný FET, DNA-FET, který je DNA modifikovaný FET, CPFET, který je buněčný potenciál FET, brouk / čip FET a umělý bioFET.[7]

Optimalizace

Volba referenční elektrody (kapalinová hradla) nebo napětí zadní hradly určuje koncentraci nosné v tranzistoru s efektem pole, a tedy její oblast činnosti, proto lze optimalizovat odezvu zařízení vyladěním hradlového napětí. Pokud je tranzistor provozován v podprahová oblast pak se očekává exponenciální nárůst proudu pro jednotkovou změnu povrchového potenciálu. Odezva se často uvádí jako změna proudu na vazbě analytu dělená počátečním proudem (), a tato hodnota je vždy maximální v podprahové oblasti provozu kvůli tomuto exponenciálnímu zesílení.[10][17][18][19] U většiny zařízení je optimální signál-šum definovaný jako změna proudu děleno základním šumem, () se také získává při provozu v podprahové oblasti,[10][20] jelikož se však zdroje hluku mezi zařízeními liší, je to závislé na zařízení.[21]

Jednou z optimalizací Bio-FET může být umístění hydrofobní pasivační plochy ke zdroji a odtoku ke snížení nespecifické biomolekulární vazby na oblasti, které nejsou snímacím povrchem.[22][23] V literatuře bylo přezkoumáno mnoho dalších optimalizačních strategií.[10][24][25]

Dějiny

The MOSFET (tranzistor s efektem pole-oxid-polovodičový polní tranzistor nebo tranzistor MOS) vynalezl Mohamed M. Atalla a Dawon Kahng v roce 1959 a demonstroval v roce 1960.[26] O dva roky později, Leland C. Clark a Champ Lyons vynalezli první biosenzor v roce 1962.[27][28] Biosenzorové MOSFETy (BioFETy) byly později vyvinuty a od té doby se široce používají k měření fyzický, chemikálie, biologický a životní prostředí parametry.[3]

První BioFET byl iontově citlivý tranzistor s efektem pole (ISFET), vynalezl Piet Bergveld pro elektrochemické a biologický aplikace v roce 1970.[29][30] Mezi další časné BioFET patří adsorpce FET (ADFET) patentováno autor: P.F. Cox v roce 1974 a vodík -citlivý MOSFET prokázal I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C.S. Svenson a L. Lundkvist v roce 1975.[3] ISFET je speciální typ MOSFET s bránou v určité vzdálenosti,[3] a kde kovová brána se nahrazuje znakem ion -citlivý membrána, elektrolyt řešení a referenční elektroda.[31] ISFET je široce používán v biomedicínské aplikace, jako je detekce DNA hybridizace, biomarker detekce z krev, protilátka detekce, glukóza měření, pH snímání a genetická technologie.[31]

V polovině 80. let byly vyvinuty další BioFET, včetně čidlo plynu FET (PLYN), snímač tlaku FET (PRESSFET), tranzistor s účinkem chemického pole (ChemFET), referenční ISFET (REFET), enzymem modifikovaný FET (ENFET) a imunologicky modifikovaný FET (IMFET).[3] Počátkem dvacátých let začaly být bioFETy jako Tranzistor s efektem pole DNA (DNAFET), genově modifikovaný FET (GenFET) a buněčný potenciál Byl vyvinut BioFET (CPFET).[31]

Viz také

  • ChemFET: chemicky citlivý tranzistor s efektem pole
  • ISFET: iontově citlivý tranzistor s efektem pole

Reference

  1. ^ A b Maddalena, Francesco; Kuiper, Marjon J .; Poolman, Bert; Brouwer, Frank; Hummelen, Jan C .; de Leeuw, Dago M .; De Boer, Bert; Blom, Paul W. M. (2010). „Tranzistorové biosenzory s organickým polním efektem funkcionalizované s proteinovými receptory“ (PDF). Journal of Applied Physics. 108 (12): 124501. doi:10.1063/1.3518681. ISSN  0021-8979.
  2. ^ Goldsmith, Brett R .; Locascio, Lauren; Gao, Yingning; Lerner, Mitchell; Walker, Amy; Lerner, Jeremy; Kyaw, Jayla; Shue, Angela; Afsahi, Savannah; Pan, Deng; Nokes, Jolie; Barron, Francie (2019). „Digital Biosensing by Foundry-Fabricated Graphene Sensors“. Vědecké zprávy. 9 (1): 434. doi:10.1038 / s41598-019-38700-w. ISSN  2045-2322. PMC  6342992. PMID  30670783.
  3. ^ A b C d E F Bergveld, Piet (Říjen 1985). „Dopad senzorů založených na MOSFET“ (PDF). Senzory a akční členy. 8 (2): 109–127. doi:10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874.
  4. ^ Brand, U .; Brandes, L .; Koch, V .; Kullik, T .; Reinhardt, B .; Rüther, F .; Scheper, T .; Schügerl, K .; Wang, S .; Wu, X .; Ferretti, R .; Prasad, S .; Wilhelm, D. (1991). „Monitorování a řízení biotechnologických výrobních procesů pomocí senzorů Bio-FET-FIA“. Aplikovaná mikrobiologie a biotechnologie. 36 (2): 167–172. doi:10.1007 / BF00164414. ISSN  0175-7598. PMID  1368106.
  5. ^ Lin, M. C .; Chu, C. J .; Tsai, L. C .; Lin, H. Y .; Wu, C. S .; Wu, Y. P .; Wu, Y. N .; Shieh, D. B .; Su, Y. W. (2007). „Řízení a detekce polarizace organosilanu na tranzistorech s efektem pole Nanowire“. Nano dopisy. 7 (12): 3656–3661. CiteSeerX  10.1.1.575.5601. doi:10.1021 / nl0719170.
  6. ^ Lee, Joonhyung; Dak, Piyush; Lee, Yeonsung; Park, Heekyeong; Choi, Woong; Alam, Muhammad A .; Kim, Sunkook (2014). „Dvojrozměrné vrstvené biosenzory MoS2 umožňují vysoce citlivou detekci biomolekul“. Vědecké zprávy. 4 (1): 7352. doi:10.1038 / srep07352. ISSN  2045-2322. PMC  4268637. PMID  25516382.
  7. ^ A b C Schöning, Michael J .; Poghossian, Arshak (2002). „Nedávný pokrok v biologicky citlivých tranzistorech s efektem pole (BioFETs)“ (PDF). Analytik. 127 (9): 1137–1151. doi:10.1039 / B204444G. ISSN  0003-2654. PMID  12375833.
  8. ^ Alena Bulyha, Clemens Heitzinger a Norbert J Mauser: Bio-Sensors: Modeling and Simulation of Biologically Sensitive Field-Effect-Transistors, ERCIM News, 04,2011.
  9. ^ Matsumoto, A; Miyahara, Y (21. listopadu 2013). „Současné a objevující se výzvy biologického snímání založeného na tranzistoru s efektem pole“. Nanoměřítko. 5 (22): 10702–10718. doi:10.1039 / c3nr02703a. PMID  24064964.
  10. ^ A b C d Lowe, Benjamin M .; Sun, Kai; Zeimpekis, Ioannis; Skylaris, Chris-Kriton; Green, Nicolas G. (2017). „Senzory s efektem pole - od snímání pH k biosenzování: zvýšení citlivosti pomocí streptavidinu – biotinu jako modelového systému“. Analytik. 142 (22): 4173–4200. doi:10.1039 / c7an00455a. ISSN  0003-2654. PMID  29072718.
  11. ^ A b Yuji Miyahara, Toshiya Sakata, Akira Matsumoto: Mikrobiologická genetická analýza založená na tranzistorech s efektem pole, Principy detekce bakterií: Biosenzory, receptory rozpoznávání a mikrosystémy.
  12. ^ Poghossian, A .; Cherstvy, A .; Ingebrandt, S .; Offenhäusser, A .; Schöning, M. J. (2005). „Možnosti a omezení detekce hybridizace DNA bez označení pomocí zařízení založených na efektu pole“. Senzory a akční členy B: Chemické. 111-112: 470–480. doi:10.1016 / j.snb.2005.03.083. ISSN  0925-4005.
  13. ^ A b K.Y. Park, M. S. Kim, K. M. Park a S. Y. Choi: Výroba senzoru BioFET pro současnou detekci bílkovin a DNA, Electrochem.org.
  14. ^ Choi K, Kim JY, Ahn JH, Choi JM, Im M, Choi YK: Integrace tranzistorových biosenzorů s efektem pole s digitálním mikrofluidním zařízením pro aplikaci lab-on-a-chip, Lab Chip., 2012 Duben
  15. ^ Chu, Chia-Jung; Yeh, Chia-Sen; Liao, Chun-Kai; Tsai, Li-Chu; Huang, Chun-Ming; Lin, Hung-Yi; Shyue, Jing-Jong; Chen, Yit-Tsong; Chen, Chii-Dong (2013). "Zlepšení schopnosti snímání nanodrátů vyrovnáním elektrického pole povrchových sond". Nano dopisy. 13 (6): 2564–2569. doi:10.1021 / nl400645j. PMID  23634905.
  16. ^ Jing-Juan Xu, Xi-Liang Luo a Hong-Yuan Chen: ANALYTICKÉ ASPEKTY FOSENZOVANÝCH BIOSENZORŮ, Frontiers in Bioscience, 10, 420-430, 1. ledna 2005
  17. ^ Sarkar, Deblina; Liu, Wei; Xie, Xuejun; Anselmo, Aaron C .; Mitragotri, Samir; Banerjee, Kaustav (2014). „Tranzistor MoS2Field-Effect pro biogenerátory bez štítků nové generace“. ACS Nano. 8 (4): 3992–4003. doi:10.1021 / nn5009148. ISSN  1936-0851. PMID  24588742.
  18. ^ Wen, Xuejin; Gupta, Samit; Nicholson, Theodore R .; Lee, Stephen C .; Lu, Wu (2011). „AlGaN / GaN HFET biosenzory pracující v podprahovém režimu pro zvýšení citlivosti“. Physica Status Solidi C.. 8 (7–8): 2489–2491. doi:10.1002 / pssc.201001174. ISSN  1862-6351.
  19. ^ Sun, K; Zeimpekis, I; Hu, C; Ditshego, N M J; Thomas, O; de Planque, MRR; Chong, H M H; Morgan, H; Ashburn, P (2016). „Vliv podprahového sklonu na citlivost nanoribbonových senzorů“ (PDF). Nanotechnologie. 27 (28): 285501. doi:10.1088/0957-4484/27/28/285501. ISSN  0957-4484. PMID  27255984.
  20. ^ Gao, Xuan P. A .; Zheng, Gengfeng; Lieber, Charles M. (2010). „Režim podprahu má optimální citlivost pro biosenzory Nanowire FET“. Nano dopisy. 10 (2): 547–552. doi:10.1021 / nl9034219. ISSN  1530-6984. PMC  2820132. PMID  19908823.
  21. ^ Rajan, Nitin K .; Routenberg, David A .; Reed, Mark A. (2011). „Optimální poměr signál / šum pro biochemické senzory nanodrátů na bázi křemíku“. Aplikovaná fyzikální písmena. 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: Povrchové inženýrství pro zvýšení citlivosti v biosenzoru s překrytím FET kontrolou smáčivosti, Biosens Bioelectron., 2013
  23. ^ A. Finn, J. Alderman, J. Schweizer: NA CESTĚ K OPTIMALIZACI BIOSENZORŮ NA ZÁKLADĚ FET, European Cells and Materials, Vol. 4. Suppl. 2. 2002 (strany 21–23)
  24. ^ Schöning, Michael J .; Poghossian, Arshak (2002). „Nedávný pokrok v biologicky citlivých tranzistorech s efektem pole (BioFETs)“ (PDF). Analytik. 127 (9): 1137–1151. doi:10.1039 / b204444g. ISSN  0003-2654. PMID  12375833.
  25. ^ Schöning, Michael J .; Poghossian, Arshak (2006). „Bio FEDs (Field-Effect Devices): nejmodernější a nové směry“. Elektroanalýza. 18 (19–20): 1893–1900. doi:10.1002 / elan.200603609. ISSN  1040-0397.
  26. ^ „1960: Demonstroval tranzistor Oxid kovu Semiconductor (MOS)“. Silicon Engine: Časová osa polovodičů v počítačích. Muzeum počítačové historie. Citováno 31. srpna 2019.
  27. ^ Park, Jeho; Nguyen, Hoang Hiep; Woubit, Abdela; Kim, Moonil (2014). „Aplikace tranzistorů s efektem pole (FET) - biosenzory typu“. Aplikovaná věda a konvergenční technologie. 23 (2): 61–71. doi:10.5757 / ASCT.2014.23.2.61. ISSN  2288-6559. S2CID  55557610.
  28. ^ Clark, Leland C.; Lyons, Champ (1962). "Elektrodové systémy pro kontinuální monitorování v kardiovaskulární chirurgii". Annals of the New York Academy of Sciences. 102 (1): 29–45. doi:10.1111 / j.1749-6632.1962.tb13623.x. ISSN  1749-6632. PMID  14021529.
  29. ^ Chris Toumazou; Pantelis Georgiou (prosinec 2011). „40 let technologie ISFET: Od neuronového snímání k sekvenování DNA“. Elektronické dopisy. Citováno 13. května 2016.
  30. ^ Bergveld, P. (leden 1970). „Vývoj polovodičového zařízení citlivého na ionty pro neurofyziologická měření“. Transakce IEEE na biomedicínském inženýrství. BME-17 (1): 70–71. doi:10.1109 / TBME.1970.4502688. PMID  5441220.
  31. ^ A b C Schöning, Michael J .; Poghossian, Arshak (10. září 2002). „Nedávný pokrok v biologicky citlivých tranzistorech s efektem pole (BioFETs)“ (PDF). Analytik. 127 (9): 1137–1151. doi:10.1039 / B204444G. ISSN  1364-5528. PMID  12375833.