바이오 FET

Bio-FET

전계효과 트랜지스터 기반의 바이오센서는 바이오센서 전계효과 트랜지스터(Bio-FET[1] 또는 BioFET),[3] 전계효과 바이오센서(FEB)[2] 또는 바이오센서 MOSFET라고도 하며 분자의 결합에 의해 유도되는 표면전위 변화에 의해 게이트되는 전계효과 트랜지스터(MOSFET 구조에 [3]근거함)입니다.생체 분자와 같은 하전 분자가 보통 유전체 물질인 FET 게이트에 결합하면, 그것들은 기초가 되는 반도체 물질의 전하 분포를 변화시켜 [4][5]FET 채널의 전도도에 변화를 가져올 수 있습니다.Bio-FET는 두 개의 주요 구획으로 구성됩니다. 하나는 생물학적 인식 요소이고 다른 하나는 전계 효과 트랜지스터입니다.[1][6]BioFET 구조는 주로 금속 게이트가 이온 감응막, 전해질 용액 및 참조 [7]전극으로 대체되는 금속 산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 일종인 이온 감응 전계 효과 트랜지스터(ISFET)를 기반으로 합니다.

일반적인 BioFET에서 전기 및 화학적으로 절연된 층(예: 실리카)은 분석물 용액을 반도체 장치로부터 분리한다.고분자층, 가장 일반적으로 APTES는 표면을 분석물질에 특정한 수용체(예를 들어 비오틴 또는 항체)와 화학적으로 연결하기 위해 사용된다.분석물이 결합되면 전해질 절연층 표면의 정전위 변화가 일어나 반도체 장치의 정전 게이트 효과와 소스 전극과 드레인 [7]전극 사이의 전류에 측정 가능한 변화가 발생한다.

동작 메커니즘

바이오 FET는 핵산 및 단백질과 같은 생체 분자를 특이하게 검출할 수 있는 생체 민감층과 트랜지스터 장치를 결합합니다.Bio-FET 시스템은 [8]분석물질이라고 불리는 표적분자에 대해 선택적인 생물학적 인식소자(예를 들어 수용체 또는 프로브 분자)로부터 절연층(예를 들어 SiO2)에 의해 분리된 변환기 역할을 하는 반도체 전계효과 트랜지스터로 구성된다.분석물질이 인식소자에 결합하면 표면의 전하분포는 반도체의 정전기 표면전위 변화에 따라 변화한다.이러한 반도체 표면 전위의 변화는 기존의 MOSFET에서와 같은 게이트 전압, 즉 소스 전극과 [9]드레인 전극 사이에서 흐를 수 있는 전류의 양을 변화시킵니다.이러한 전류(또는 컨덕턴스)의 변화를 측정할 수 있으므로 분석물질의 결합을 검출할 수 있습니다.전류와 분석물 농도 사이의 정확한 관계는 트랜지스터 [10]작동 영역에 따라 달라집니다.

바이오 FET 제조

Bio-FET 시스템의 제작은 다음과 같은 몇 가지 단계로 구성됩니다.

  1. FET 사이트로서 기능하는 데 적합한 기판을 찾아 기판에 FET를 형성한다.
  2. 기판에서 FET의 활성 부위를 노출하면
  3. FET의 활성 부위에 감지 필름 층을 제공합니다.
  4. 이온 검출에 사용할 수 있도록 감지 필름 층에 수용체를 제공합니다.
  5. 반도체 층을 제거하고 유전체 층을 얇아짐으로써
  6. 유전체층의 나머지 부분을 식각하여 FET의 활성 부위를 노출시키고,
  7. 포토 레지스트를 제거하고 센싱 필름 층을 쌓은 후 센싱 필름에 포토 레지스트 패턴을 형성합니다.
  8. 감지 필름 층의 보호되지 않은 부분을 식각하고 포토 레지스트[11] 제거

이점

분석물질의 결합에 의한 정전위 변화를 검출한 Bio-FET 소자의 작동 원리.이는 표면 전위의 변화를 감지하는 유리 전극 센서와 동일한 작동 메커니즘이지만 1920년대에 개발되었습니다.생체분자의 결합이나 pH 변화에 따른 표면 전위 변화가 작기 때문에 유리 전극은 장치의 크기와 비용을 증가시키는 고임피던스 증폭기를 필요로 한다.이와는 대조적으로, Bio-FET 소자는 내장 증폭기로 작동하여 추가 회로 없이 표면 전위의 작은 변화를 (트랜지스터 구성 요소를 통해) 큰 전류 변화로 변환한다는 장점이 있습니다.이는 BioFET가 유리 전극 기반 바이오센서보다 훨씬 작고 저렴하다는 것을 의미합니다.트랜지스터가 서브 임계값 영역에서 작동하면 표면 전위의 단위 변화에 대해 전류의 기하급수적인 증가가 예상된다.

바이오 FET는 의학 진단,[12][11] 생물 연구, 환경 보호, 식품 분석 등의 분야에서 검출에 사용할 수 있습니다.광학, 분광, 전기화학 및 SPR 측정과 같은 기존 측정도 생물학적 분자를 분석하는 데 사용할 수 있습니다.그럼에도 불구하고, 이러한 기존의 방법들은 상대적으로 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 든다. Bio-FET와 대조적으로 다단계 프로세스를 포함하며 실시간 [13]모니터링과도 호환되지 않는다.바이오 FET는 저중량, 저비용 대량생산, 소형이며 대규모 회로용 상용 평면 공정과 호환됩니다.Lab-on-a-chip용 디지털 마이크로 유체 장치에 쉽게 통합할 수 있습니다.예를 들어 마이크로유체디바이스는 일체형 [14]칩을 사용하여 생체분자 검출, 신호처리 및 데이터 전송을 가능하게 하면서 샘플액적수송을 제어할 수 있다.Bio-FET는 또한 [13]라벨링 단계가 필요하지 않으며, 선택성을 제공하기 위해 센서 표면의 특정 분자(예: 항체, ssDNA)[15]를 사용한다.일부 바이오 FET는 매력적인 전자 및 광학 특성을 나타냅니다.예를 들어 FET는 ISFET의 게이트 표면과2 SiO 나노입자 및 글루코오스 산화효소(GOD)의 개조에 기초한 포도당 감수성으로 SiO 나노입자 [16]미포함보다2 감도가 뚜렷하게 향상되고 수명이 연장되었다.

검출에 이용되는 생체인식원소인 En-FET, 효소변성 FET인 임노-FET, DNA변성 FET인 DNA-FET, 세포전위 FET인 CPFET,[7] 비틀/칩 FET 및 인공바이오FET에 기초하여 바이오 FET를 분류한다.

최적화

기준 전극(액체 게이트) 또는 백게이트 전압의 선택에 따라 전계 효과 트랜지스터 내의 반송파 농도가 결정되므로 게이트 전압을 조정하여 장치의 응답을 최적화할 수 있습니다.트랜지스터가 서브 임계값 영역에서 작동하면 표면 전위의 단위 변화에 대해 전류의 기하급수적인 증가가 예상된다.이 응답은 종종 분석물 바인딩의 전류 변화를 초기 전류( / 0 \ \ 0})로 나눈 것으로 보고되며, 이 값은 이 [10][17][18][19]지수 증폭에 의해 항상 작동 하위 임계값 영역에서 최대가 됩니다.대부분의 디바이스에서 전류 변화를 베이스라인 노이즈로 나눈 것으로 정의되는 최적의 신호 대 잡음([10][20]I / i style \ I도 디바이스 간에 노이즈 소스가 다르기 때문에 디바이스에 [21]의존합니다.

Bio-FET의 한 가지 최적화는 소스와 드레인 위에 소수성 패시베이션 표면을 배치하여 감지 표면이 [22][23]아닌 영역에 대한 비특이적 생체 분자 결합을 감소시키는 것일 수 있다.다른 많은 최적화 전략은 [10][24][25]문헌에서 검토되었다.

역사

MOSFET (Metal-oxide-Semiconductor 전계효과 트랜지스터, MOS 트랜지스터)는 모하메드 M에 의해 발명되었다. 1959년 아탈라와 다원캉이 1960년에 [26]시연했다.2년 후, 릴랜드 C. Clark와 Champ Lyons는 [27][28]1962년에 최초의 바이오센서를 발명했다.바이오센서 MOSFET(Biosensor MOSFET)는 나중에 개발되어 물리, 화학, 생물 및 환경 파라미터를 측정하는 [3]데 널리 사용되고 있습니다.

최초의 BioFET는 [29][30]1970년 Piet Bergveld가 전기화학 및 생물학적 응용을 위해 발명한 이온 민감 전계효과 트랜지스터(ISFET)입니다.다른 초기 BioFET에는 P.F.가 특허를 취득한 흡착 FET(ADFET)가 포함되어 있습니다.1974년 콕스, 그리고 I에 의해 증명된 수소에 민감한 MOSFET.1975년 [3]룬드스트롬, M.S. 시바라만, C.S. 스벤슨, L. 룬드크비스트.ISFET는 특정 거리에 [3]게이트가 있는 특수한 유형의 MOSFET로, 금속 게이트가 이온 감응막, 전해질 용액 및 참조 [31]전극으로 대체됩니다.ISFET는 DNA 교배 검출, 혈액에서 바이오마커 검출, 항체 검출, 포도당 측정, pH 센싱 및 유전자 [31]기술과 같은 생물의학 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

1980년대 중반까지 가스 센서 FET(GASFET), 압력 센서 FET(PRESSFET), 화학 전계 효과 트랜지스터(ChemFET), 기준 ISFET(REFET), 효소 변형 FET(ENFET) 및 면역학적으로 수정된 FET(IMFET)[3]를 포함한 다른 바이오 FET가 개발되었습니다.2000년대 초까지 DNA 전계효과 트랜지스터(DNAFET), 유전자변형 FET(GenFET), 세포전위 바이오FET(CPFET) 등의 바이오FET가 [31]개발됐다.현재 이 분야의 연구는 유기 전해질 게이트 FET(OEGFET)와 같은 새로운 형태의 바이오FET를 생산했습니다.[32]

「 」를 참조해 주세요.

  • ChemFET: 화학적으로 민감한 전계효과 트랜지스터
  • ISFET: 이온 감응 전계 효과 트랜지스터

레퍼런스

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