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Bio-FET

Un biosensor basado en transistores 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 transistor de efecto de campo (basado en la estructura MOSFET ) [3] que está controlado por cambios en el potencial de superficie inducido por la unión de moléculas . Cuando las moléculas cargadas, como las biomoléculas , se unen a la compuerta del FET, que suele ser un material dieléctrico , pueden cambiar la distribución de carga del material semiconductor subyacente , lo que da como resultado un cambio en la conductancia del canal del 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 del 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 de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) donde la compuerta metálica se reemplaza por una membrana sensible a iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . [7]

En un BioFET típico, una capa aislante eléctrica y químicamente (por ejemplo, sílice ) separa la solución de analito del dispositivo semiconductor. Se utiliza una capa de polímero, más comúnmente APTES , para unir químicamente la superficie a un receptor que es específico para el analito (por ejemplo, biotina o un anticuerpo ). Al unirse el analito, se producen cambios en el potencial electrostático en la superficie de la capa aislante del electrolito, lo que a su vez da como resultado un efecto de compuerta electrostática del dispositivo semiconductor y un cambio medible en la corriente entre los electrodos de fuente y drenaje. [7]

Mecanismo de funcionamiento

Los Bio-FET acoplan un dispositivo transistor con una capa biosensible que puede detectar específicamente biomoléculas como ácidos nucleicos y proteínas. Un sistema Bio-FET consta de un transistor semiconductor de efecto de campo que actúa como un transductor separado por una capa aislante (por ejemplo, SiO 2 ) del elemento de reconocimiento biológico (por ejemplo, receptores o moléculas de sonda) que son selectivos para la molécula objetivo 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 electrostático de la superficie del semiconductor. Este cambio en el potencial de la superficie del semiconductor actúa como lo haría un voltaje de compuerta en un MOSFET tradicional , es decir, cambiando la cantidad de corriente que puede fluir entre los electrodos de fuente y 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 varios pasos como se detalla a continuación:

  1. Encontrar un sustrato adecuado para servir como sitio FET y formar un FET en el sustrato,
  2. Exponiendo un sitio activo del FET desde el sustrato,
  3. Proporcionar una capa de película de detección en el sitio activo del FET,
  4. Proporcionar un receptor en la capa de película de detección para su uso en la detección de iones.
  5. Eliminación de una capa semiconductora y adelgazamiento de una capa dieléctrica.
  6. Grabar la porción restante de la capa dieléctrica para exponer un sitio activo del FET,
  7. Retirar la fotorresistencia y depositar una capa de película de detección seguida de la formación de un patrón de fotorresistencia en la película de detección.
  8. Grabado de la parte desprotegida de la capa de película de detección y eliminación de la fotorresistencia [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 superficie, pero que se desarrollaron ya en la década de 1920. Debido a la pequeña magnitud de los cambios en el potencial de superficie al unirse a biomoléculas o cambiar el 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 funcionan como un amplificador intrínseco, convirtiendo pequeños cambios en el potencial de superficie en grandes cambios en la corriente (a través del componente 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 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] la investigación biológica, la protección del medio ambiente y el análisis de alimentos. Las mediciones convencionales como las mediciones ópticas, espectrométricas, electroquímicas y SPR también se pueden utilizar para analizar moléculas biológicas. Sin embargo, estos métodos convencionales son relativamente lentos y costosos, involucran procesos de múltiples etapas y tampoco son compatibles con el monitoreo en tiempo real, [13] en contraste con los Bio-FET. Los Bio-FET son livianos, de bajo costo de producción en masa, de tamaño pequeño y compatibles con procesos comerciales planares para circuitos a gran escala. Se pueden integrar fácilmente en dispositivos microfluídicos digitales para Lab-on-a-chip . Por ejemplo, un dispositivo microfluídico puede controlar el transporte de gotas de muestra al mismo tiempo que permite la detección de biomoléculas, el procesamiento de señales y la transmisión de datos, utilizando un chip todo en uno . [14] El 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 propiedades ópticas y electrónicas fascinantes. Un ejemplo de FET sería un sensible a la glucosa basado en la modificación de la superficie de la compuerta del ISFET con nanopartículas de SiO 2 y la enzima glucosa oxidasa (GOD); este dispositivo mostró una sensibilidad obviamente mejorada y una vida útil prolongada en comparación con el que no tenía nanopartículas de SiO 2. [16]

Los Bio-FET se clasifican en función del elemento de bioreconocimiento utilizado para la detección: En-FET, que es un FET modificado enzimáticamente, Immuno-FET, que es un FET modificado inmunológicamente, DNA-FET, que es un FET modificado con ADN, CPFET, que es un FET de potencial celular, FET de escarabajo/chip y BioFET artificial. [7]

Mejoramiento

La elección del electrodo de referencia (puerta líquida) o del voltaje de la puerta trasera determina la concentración de portadores dentro del transistor de efecto de campo y, por lo tanto, su región de operación; por lo tanto, la respuesta del dispositivo se puede optimizar ajustando el voltaje de la puerta. Si el transistor se opera en la región subumbral , se espera un aumento exponencial de la corriente para un cambio unitario en el potencial de superficie. La respuesta se informa a menudo como el cambio en la corriente en la unión del analito dividido por la corriente inicial ( ), y este valor siempre es máximo en la región subumbral de operación 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 línea base, ( ) también se obtiene cuando se opera en la región subumbral, [10] [20] sin embargo, como las fuentes de ruido varían entre dispositivos, esto depende del dispositivo. [21]

Una optimización del Bio-FET puede ser colocar una superficie de pasivación hidrofóbica 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

1957, Diagrama de uno de los dispositivos transistores de SiO2 fabricados por Frosch y Derick [26]

El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960, después de que Frosch y Derick descubrieran la pasivación de la superficie por dióxido de silicio y utilizaran su hallazgo para crear los primeros transistores planares, los primeros en los que el drenaje y la fuente estaban adyacentes en la misma superficie. [27] [28] [29] [30] [31] [32]

En 1962, Leland C. Clark y Champ Lyons inventaron el primer biosensor . [33] [34] Posteriormente se desarrollaron los MOSFET biosensores (BioFET), que 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. [35] [36] Otros BioFET tempranos 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 compuerta a una cierta distancia, [3] y donde la compuerta de metal se reemplaza por una membrana sensible a iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . [37] El ISFET se usa ampliamente en aplicaciones biomédicas , como la detección de hibridación de ADN , detección de biomarcadores en sangre , detección de anticuerpos , medición de glucosa , detección de pH y tecnología genética . [37]

A mediados de la década de 1980, se habían desarrollado otros BioFET, incluido el FET de sensor de gas (GASFET), el FET de sensor de presión (PRESSFET), el transistor de efecto de campo químico (ChemFET), el ISFET de referencia (REFET), el FET modificado por enzimas (ENFET) y el FET modificado inmunológicamente (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 por genes (GenFET) y el BioFET de potencial celular (CPFET). [37] La ​​investigación actual en esta área ha producido nuevas formaciones del BioFET, como el FET regulado por electrolito orgánico (OEGFET). [38]

Véase también

Referencias

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