Un biosensor basado en transistor de efecto de campo , también conocido como transistor de efecto de campo biosensor ( Bio-FET [1] o BioFET ), biosensor de efecto de campo ( FEB ), [2] o biosensor MOSFET , [3] es un campo -Transistor de efecto (basado en la estructura MOSFET ) [3] que es controlado por cambios en el potencial de superficie inducidos por la unión de moléculas . Cuando las moléculas cargadas, como las biomoléculas , se unen a la puerta FET, que suele ser un dieléctrico.material, pueden cambiar la distribución de carga del material semiconductor subyacente dando como resultado un cambio en la conductancia del canal FET. [4] [5] Un Bio-FET consta de dos compartimentos principales: uno es el elemento de reconocimiento biológico y el otro es el transistor de efecto de campo. [1] [6] La estructura de BioFET se basa en gran medida en el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET), un tipo de transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) donde la puerta de metal se reemplaza por un ion - membrana sensible , solución electrolítica y electrodo de referencia . [7]
Mecanismo de funcionamiento
Los Bio-FET acoplan un dispositivo de transistor con una capa biosensible que puede detectar específicamente biomoléculas como ácidos nucleicos y proteínas. Un sistema Bio-FET consiste en un transistor de efecto de campo semiconductor que actúa como un transductor separado por una capa aislante (por ejemplo, SiO 2 ) del elemento de reconocimiento biológico (por ejemplo, receptores o moléculas sonda) que son selectivos para la molécula diana llamada analito. [8] Una vez que el analito se une al elemento de reconocimiento, la distribución de carga en la superficie cambia con un cambio correspondiente en el potencial superficial electrostático del semiconductor. Este cambio en el potencial de superficie del semiconductor actúa como lo haría un voltaje de puerta en un MOSFET tradicional , es decir, cambiando la cantidad de corriente que puede fluir entre la fuente y los electrodos de drenaje. [9] Este cambio en la corriente (o conductancia ) se puede medir, por lo que se puede detectar la unión del analito. La relación precisa entre la corriente y la concentración de analito depende de la región de operación del transistor . [10]
Fabricación de Bio-FET
La fabricación del sistema Bio-FET consta de los siguientes pasos:
- Encontrar un sustrato adecuado para servir como sitio FET y formar un FET en el sustrato,
- Exponer un sitio activo del FET del sustrato,
- Proporcionar una capa de película de detección en el sitio activo de FET,
- Proporcionar un receptor en la capa de película sensora para ser utilizado para la detección de iones.
- Eliminar una capa semiconductora y adelgazar una capa dieléctrica,
- Grabar la parte restante de la capa dieléctrica para exponer un sitio activo del FET,
- Retirar el fotorresistente y depositar una capa de película de detección seguida de la formación de un patrón de fotorresistencia en la película de detección,
- Grabar la parte desprotegida de la capa de película sensible y eliminar el fotorresistente [11]
Ventajas
El principio de funcionamiento de los dispositivos Bio-FET se basa en la detección de cambios en el potencial electrostático debido a la unión del analito. Este es el mismo mecanismo de funcionamiento que los sensores de electrodos de vidrio que también detectan cambios en el potencial de la superficie, pero que se desarrollaron ya en la década de 1920. Debido a la pequeña magnitud de los cambios en el potencial de superficie tras la unión de biomoléculas o el cambio de pH, los electrodos de vidrio requieren un amplificador de alta impedancia que aumenta el tamaño y el costo del dispositivo. En contraste, la ventaja de los dispositivos Bio-FET es que operan como un amplificador intrínseco, convirtiendo pequeños cambios en el potencial de superficie en grandes cambios en la corriente (a través del componente del transistor) sin la necesidad de circuitos adicionales. Esto significa que los BioFET tienen la capacidad de ser mucho más pequeños y más asequibles que los biosensores basados en electrodos de vidrio . Si el transistor se opera en la región de subumbral , entonces se espera un aumento exponencial en la corriente para un cambio unitario en el potencial de superficie.
Los bio-FET se pueden utilizar para la detección en campos como el diagnóstico médico , [12] [11] investigación biológica, protección del medio ambiente y análisis de alimentos. Las mediciones convencionales como las mediciones ópticas, espectrométricas, electroquímicas y SPR también se pueden utilizar para analizar moléculas biológicas. No obstante, estos métodos convencionales consumen mucho tiempo y son costosos, implican procesos de varias etapas y tampoco son compatibles con la monitorización en tiempo real, [13] a diferencia de los Bio-FET. Los Bio-FET son de bajo peso, bajo costo de producción en masa, tamaño pequeño y compatibles con procesos comerciales planos para circuitos a gran escala. Se pueden integrar fácilmente en dispositivos de microfluidos digitales para Lab-on-a-chip . Por ejemplo, un dispositivo de microfluidos puede controlar el transporte de gotas de muestra mientras permite la detección de biomoléculas, el procesamiento de señales y la transmisión de datos, utilizando un chip todo en uno . [14] Bio-FET tampoco requiere ningún paso de etiquetado, [13] y simplemente utiliza una molécula específica (por ejemplo, anticuerpo, ssDNA [15] ) en la superficie del sensor para proporcionar selectividad. Algunos Bio-FET muestran fascinantes propiedades electrónicas y ópticas. Un ejemplo sería un FET sensible a la glucosa basado en la modificación de la superficie de la puerta de ISFET con nanopartículas de SiO 2 y la enzima glucosa oxidasa (GOD); este dispositivo mostró obviamente una sensibilidad mejorada y una vida útil más prolongada en comparación con el que no tiene nanopartículas de SiO 2 . [dieciséis]
Mejoramiento
La elección del electrodo de referencia (puerta de líquido) o voltaje de puerta trasera determina la concentración de portadora dentro del transistor de efecto de campo y, por lo tanto, su región de funcionamiento, por lo que la respuesta del dispositivo se puede optimizar ajustando el voltaje de puerta. Si el transistor funciona en la región del subumbral, se espera un aumento exponencial de la corriente para un cambio unitario en el potencial de superficie. La respuesta a menudo se informa como el cambio en la corriente en la unión del analito dividido por la corriente inicial (), y este valor es siempre máximo en la región de funcionamiento por debajo del umbral debido a esta amplificación exponencial. [10] [17] [18] [19] Para la mayoría de los dispositivos, la relación señal-ruido óptima, definida como el cambio en la corriente dividido por el ruido de la línea de base, () también se obtiene cuando se opera en la región de subumbral, [10] [20] sin embargo, como las fuentes de ruido varían entre dispositivos, esto depende del dispositivo. [21]
Una optimización de Bio-FET puede ser poner una superficie de pasivación hidrófoba en la fuente y el drenaje para reducir la unión biomolecular no específica a regiones que no son la superficie de detección. [22] [23] Se han revisado muchas otras estrategias de optimización en la literatura. [10] [24] [25]
Historia
El MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico, o transistor MOS) fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en 1959, y demostrado en 1960. [26] Dos años más tarde, Leland C. Clark y Champ Lyons inventaron el primer biosensor en 1962. [27] [28] Los MOSFET biosensores (BioFET) se desarrollaron más tarde y desde entonces se han utilizado ampliamente para medir parámetros físicos , químicos , biológicos y ambientales . [3]
El primer BioFET fue el transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET), inventado por Piet Bergveld para aplicaciones electroquímicas y biológicas en 1970. [29] [30] Otros primeros BioFET incluyen el FET de adsorción (ADFET) patentado por PF Cox en 1974. , y un MOSFET sensible al hidrógeno demostrado por I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson y L. Lundkvist en 1975. [3] El ISFET es un tipo especial de MOSFET con una puerta a cierta distancia, [3] y donde el La puerta de metal se reemplaza por una membrana sensible a iones , una solución de electrolito y un electrodo de referencia . [31] El ISFET se usa ampliamente en aplicaciones biomédicas , como la detección de hibridación de ADN , detección de biomarcadores de sangre , detección de anticuerpos , medición de glucosa , detección de pH y tecnología genética . [31]
A mediados de la década de 1980, se habían desarrollado otros BioFET, incluido el sensor de gas FET (GASFET), el sensor de presión FET (PRESSFET), el transistor de efecto de campo químico (ChemFET), el ISFET de referencia (REFET), el FET modificado con enzimas (ENFET) y FET inmunológicamente modificado (IMFET). [3] A principios de la década de 2000, se habían desarrollado BioFET como el transistor de efecto de campo de ADN (DNAFET), el FET modificado genéticamente (GenFET) y el BioFET de potencial celular (CPFET). [31] La investigación actual en esta área ha producido nuevas formaciones del BioFET, como el FET con compuerta de electrolitos orgánicos (OEGFET). [32]
Ver también
- ChemFET : transistor de efecto de campo químicamente sensible
- ISFET : transistor de efecto de campo sensible a iones
Referencias
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