Bio-FET

редактировать

A полевой транзистор на основе биосенсора, также известного как полевой транзистор биосенсора (Bio-FET или BioFET ), полевой биосенсор (FEB ), или биосенсорный MOSFET, представляет собой полевой транзистор (на основе структуры MOSFET ), который стробируется 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 изменять распределение заряда нижележащего полупроводникового материала. что приводит к изменению проводимости канала полевого транзистора. Био-полевой транзистор состоит из двух основных отсеков: один - это элемент биологического распознавания, а другой - полевой транзистор. Структура BioFET в значительной степени основана на ионно-чувствительном полевом транзисторе (ISFET), типе полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET), где металлический затвор заменяется ионно-чувствительной -чувствительной мембраной, раствором электролита и электродом сравнения.

. В типичном BioFET электрически и химически изолирующий слой (например, диоксид кремния ) отделяет раствор аналита от полупроводникового устройства. Слой полимера, чаще всего APTES, используется для химического связывания поверхности с рецептором, специфичным для анализируемого вещества (например, биотин или антитело ). 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. 139>Содержание
  • 1 Механизм действия
  • 2 Изготовление Bio-FET
  • 3 Преимущества
  • 4 Оптимизация
  • 5 История
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки

Механизм операция

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, рецепторы или молекулы зондов), которые являются селективными в отношении молекулы-мишени, называемой аналитом. 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 MOSFET, т. Е. Изменяет величину тока, который может протекать между электродами истока и стока. Это изменение тока (или проводимости ) может быть измерено, таким образом, связывание аналита может быть обнаружено. Точное соотношение между током и концентрацией аналита зависит от области работы транзистора.

Изготовление Bio-FET

Изготовление системы Bio-FET состоит из следующих нескольких этапов:

  1. Поиск подложки, подходящей для использования в качестве площадки полевого транзистора, и формирование полевого транзистора на подложке,
  2. открытие активного сайта полевого транзистора с подложки,
  3. обеспечение слоя чувствительной пленки на активном сайте полевого транзистора,
  4. Обеспечение рецептора на слое чувствительной пленки для использования для обнаружения ионов,
  5. Удаление полупроводникового слоя и утончение диэлектрического слоя,
  6. Травление оставшаяся часть 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

Преимущества

Принцип работы Bi o-FET устройства, основанные на обнаружении изменений электростатического потенциала из-за связывания аналита. Это тот же механизм работы, что и у датчиков со стеклянным электродом, 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 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, биологические исследования, охрана окружающей среды и анализ пищевых продуктов. Обычные измерения, такие как оптические, спектрометрические, электрохимические измерения и измерения SPR, 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, 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, одновременно обеспечивая обнаружение биомолекул, обработку сигналов и передачу данных с помощью универсального чипа. Bio-FET также не требует какой-либо стадии мечения и просто использует определенную молекулу (например, антитело, оцДНК) на поверхности сенсора для обеспечения селективности. Некоторые био-полевые транзисторы демонстрируют удивительные электронные и оптические свойства. Примером FET может быть глюкозочувствительный элемент, основанный на модификации поверхности затвора ISFET наночастицами SiO 2 и ферментом глюкозооксидазой (GOD); это устройство продемонстрировало явно повышенную чувствительность и увеличенный срок службы по сравнению с устройством без наночастиц SiO 2.

Био-полевые транзисторы классифицируются на основе элемента био-распознавания, используемого для обнаружения: En-FET, который является модифицированным ферментом FET, иммуно-FET, который представляет собой иммунологически модифицированный FET, ДНК-FET, который представляет собой ДНК-модифицированный FET, CPFET, который представляет собой FET с клеточным потенциалом, FET жука / чипа и искусственный BioFET.

Оптимизация

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 представляет собой изменение тока при связывании аналита, деленное на начальный ток (Δ I / I 0 {\ displaystyle \ Delta I / I_ {0}}{\ displaystyle \ Delta I / I_ {0}} ), и это значение всегда максимальна в подпороговой области работы из-за этого экспоненциального усиления. Для большинства устройств оптимальное отношение сигнал / шум, определяемое как изменение тока, деленное на базовый шум, (Δ I / δ i noise {\ displaystyle \ Delta I / \ delta i _ {\ text {noise}}}{\ displaystyle \ Delta I / \ дельта я _ {\ текст {шум}}} ) также получается при работе в подпороговой области, однако, поскольку источники шума различаются между устройствами, это зависит от устройства.

Одна оптимизация Bio-FET может заключаться в применении гидрофобной пассивации поверхность источника и стока для уменьшения неспецифического биомолекулярного связывания с областями, которые не являются сенсорной поверхностью. Многие другие стратегии оптимизации были рассмотрены в литературе.

История

MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) был изобретен Мохамед М. Аталла и Давон Кан в 1959 году и продемонстрирован в 1960 году. Два года спустя Лиланд К. Кларк и Чемпион Лайонс изобрели первый биосенсор в 1962 году. Биосенсорные МОП-транзисторы (BioFET) были позже разработаны, и с тех пор они широко используются для измерения физических, химических, биологических и параметры окружающей среды.

Первым BioFET был ионно-чувствительный полевой транзистор (ISFET), изобретенный Питом Бергвельдом для электрохимические и биологические приложения в 1970 году. Другие ранние био-полевые транзисторы включают в себя адсорбционный полевой транзистор (ADFET) , запатентованный компанией PF Кокса в 1974 г., и чувствительный к водороду МОП-транзистор, продемонстрированный I. Lundstrom, M.S. Шивараман, С.С. Свенсон и Л. Лундквист в 1975 году. ISFET - это особый тип полевого МОП-транзистора с затвором на определенном расстоянии, в котором металлический затвор заменен на ионный - чувствительная мембрана, раствор электролита и электрод сравнения. ISFET широко используется в биомедицинских приложениях, таких как обнаружение гибридизации ДНК, определение биомаркера из крови, антитела. обнаружение, измерение глюкозы, определение pH и генетическая технология.

К середине 1980-х годов были разработаны другие BioFET, включая газ . датчик FET (GASFET), датчик давления FET (PRESSFET), химический полевой транзистор (ChemFET), эталонный ISFET (REFET), фермент -модифицированный полевой транзистор (ENFET) и иммунологически модифицированный полевой транзистор (IMFET). К началу 2000-х годов BioFET, такие как полевой транзистор ДНК (DNAFET), геномодифицированный FET (GenFET) и клеточный потенциал BioFET (CPFET

См. также

  • icon Биологический портал
  • Технологический портал
  • ChemFET : химически чувствительный полевой транзистор
  • ISFET : ионно-чувствительный полевой транзистор транзистор с эффектом

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-12 06:37:55
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте