Dispozitive Bio-FET

Dispozitive Bio-FET

Prin Bio-FET vom intelege totalitatea dispozitivelor biologice ce contin ca element traductor activ un tranzistor cu efect de camp. Ele pot fi biosenzori (precum tranzistoarele ISFET, ENFET, etc) sau dispozitive de testare si investigare a materialelor biologice, sau dispozitive create in alte scopuri.

1. Tranzistoarele ISFET

Tranzistoarele ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) au derivat direct din ISE (electrozii sensibili la ioni). Din punct de vedere constructiv, dispozitivul ISFET este un MOSFET,  pentru care receptorul - un electrod ce sezizeaza doar anumiti ioni (de exemplu de Ca⁺, K⁺.) - este un metal special (Pt, Pd, Ir). Regiunea portii este imersata intr-o solutie biologica cu analit. Modelarea se face analog cu cea a MOS-FET-ului, doar ca tensiunea de poarta V_G depinde de concentratia ionilor de analit conform relatiei lui Nerst. O categorie aparte o reprezinta tranzistoarele MEM-FET (MEMbrane-FET), la care electrodul rece ptor este o membrana organica depusa in dreptul portii tranzistorului, si care capteaza selectiv sarcina ionica. In figura este prezentata structura si simbolul ales pentru tranzistorul ISFET.

(a)                                             (b)

Fig. a) Structura tranzistorului ISFET;               b) Simbol.

Tensiunile aplicate: V_S=V_SB=0, V_G>0 si V_D>0 se mentin constante. Cand concentratia ionilor de analit creste, se modifica diferenta de potential metal-semiconductor, conform cu relatia (9.8). Deci variaza V_FB si in consecinta potentialul portii. Rezulta o imbogatire a canalului in electroni, iar in final o crestere a curentului de drena. Fluctuatiile concentratiei de ioni de analit se traduc prin fluctuatii ale curentului I_D.

Adoptand pentru curentul de drena al tranzistorului ISFET modelul simplificat in regim cvasiliniar (5.52), plus efectul tensiunii de poarta asupra mobilitatii purtatorilor din canal, (5.61), in care neglijam termenul V_DS², la tensiuni V_DS mici, avem:

(10.2)

Tensiunea de poarta totala, V_Gt este suma tensiunii, V_G, aplicata de la o sursa externa si a potentialului de electrod ΔΦ_ME, dat de relatia lui Nerst:

(10.3)

Prin inlocuirea relatiei (10.3) in relatia (10.2), rezulta dependenta curentului de drena, I_D, de concentratia de analit, c_A:

(10.4)

Observatie: Ne dorim o sensibilitate curent-concentratie de analit cat mai mare. Relatia (10.4) arata ca este mai favorabil un regim de lucru la tensiuni V_Gt mici, astfel incat sa se poata neglija efectul atenuarii mobilitatii sub influenta campului electric transversal. Rezulta astfel, o dependenta logaritmica curent-concentratie. In plus, daca s-ar lucra sub prag, unde I_D depinde exponential de V_G (vezi relatia 5.94), prin compunere cu relatia lui Nerst ar rezulta o dependenta polinomiala curent-concentratie, net superioara functiei logaritmice.

Observatie: ISFET-urile care determina concentratia ionilor de H⁺ se mai noteaza prin pH-FET-uri, tinand cont ca pH=-lg [c_H+]. O solutie apoasa este neutra cand pH=7, moment in care concentratia ionilor de H⁺ o egaleaza pe cea a ionilor negativi de OH^-. Solutia apoasa este acida pentru pH<7 si bazica pentru pH>7. Pentru electrolitul complex al organismului uman neutralitatea are loc de asemenea cand c_H+=c_OH-, dar aceasta se intampla la temperatura de 37⁰C pentru un pH=6,75. Sangele are pH=7,36, deci se comporta slab bazic.

Cu acest gen de tranzistor s-au facut experimente pentru determinarea concentratiei ionilor de H⁺ si K⁺. National Company Japan a realizat un biosenzor integrat pe cip de tipul Silicon On Sapphire, continand un K⁺-FET cu membrana de GOD si doua H⁺-FET cu membrana de ureaza. Cu acest biosenzor se pot face simultan analize de glucoza si uree in sange [2].

Alt exemplu. S-a realizat un dispozitiv ISFET, ca senzor de metabolism, ce masoara concentratia de amoniac, ca in figura 10.5, [2]. Receptorul care sesizeaza NH₄^- este Paladiu (Pd). El este depus peste oxidul de poarta. Se constata o crestere majora a sensibilitatii biosenzorului daca peste Paladiu se depune un strat de Iridiu (Ir). Se obtine o crestere a tensiunii V_G de la 20mV in cazul electrodului de Pd, la 400mV in cazul acoperirii Pd cu Ir, cand concentratia de NH₄^- este 400ppm. De retinut aceste doua materiale: paladiu, iridiu, in constructia biosenzorilor.

Fig. 10.5. Dispozitiv

MOS pentru detectarea

ionului de amoniu.

Un alt dispozitiv specific masuratorilor de potentiometrie este prezentat in figura 10.6. Scopul acestui Bio-FET este caracterizarea electrica a unor biolichide, [2].

(a) (b)

Fig. 10.6. a) Dispozitiv Bio-FET microelectrochimic; b) Caracteristica I_D-V_G masurata.

Primul dispozitiv microelectrochimic studiat detinea semiconductori organici (polimeri) depusi intre sursa si drena. Se obtineau caracteristici ca de dioda. Daca in plus intervenea al treilea electrod - poarta, se obtineau caracteristicile din figura 10.6.b., pentru semiconductorul organic din polianilina. Ca si la tranzistoarele MOS, s-a constatat ca in vecinatatea 'pragului', rezistenta intre sursa si drena variaza cu peste 6 ordine de marime la variatii foarte mici ale tensiunii V_G (cu 0,10,3V). Spre deosebire de tranzistoarele pe Siliciu, la tranzistoarele Bio-FET de acest gen, dupa atingerea unei valori maxime curentul scade. Acest dispozitiv este potrivit pentru studierea proprietatilor diverselor materiale biologice. Daca se inlocuieste semiconductorul organic cu o solutie neutra, in care se

creste concentratia unui neurotransmitator (adrenalina, noradrenalina, acetilcolina, dopamina, serotonina etc) se pot obtine caracteristici I_D-V_G, furnizoare de parametri de model. Modelele tranzistoarelor MOS pot fi extinse si aici, pe anumite subdomenii de masura. Acest lucru permite extragerea unor parametri echivalenti (tensiune de prag - concentratie de prag, tensiune de nivel mare - concentratie de neurotransmitator de nivel ridicat). Acesti parametri ar putea fi deosebit de utili in stabilirea unor concentratii limita intre care se face transmiterea impulsului nervos.

2. Tranzistoare EN-FET, IM-FET, Microbial-FET

Denumirea de ISFET este generica. Prin tranzistoare ISFET trebuie sa se inteleaga doar acele FET-uri care determina concentratia ionilor intr-o solutie pe baza unui electrod selectiv prin metoda potentiometrica. Din aceasta clasa de tranzistoare au derivat si IMuno-FET, ENzime-FET, Microbial-FET, a caror denumire sugereaza tipul relatiei analit-receptor. De aceea, termenul generic de 'Bio-FET' acopera orice tranzistor cu efect de camp folosit ca element traductor in domeniul biosenzorilor.

M. Gotoh si colaboratorii sai, [73] a realizat un senzor pentru acetilcolina cu un tranzistor ISFET. Receptorii au fost fixati pe poarta tranzistorului cu ajutorul unei membrane de polivinilbutirat. Legarea acetilcolinei de receptori in concentratie de 0,1.10mmol/l a produs cresteri detectabile ale potentialului portii (zeci de mV).

Tamya si colaboratorii, [74] au realizat un senzor de metabolism cu tranzistor Bio-FET pentru determinarea alcoolului. Microorganismul Gluconobacter, care prin metabolismul sau produce alcool, a fost prins intr-o pelicula de arginat de calciu pe poarta tranzistorului. Astfel de dispozitive fac parte din categoria asa numitelor Microbial-FET-uri.

IMmuno-Fet-uri sunt tranzistoare cu efect de camp, a caror poarta este acoperita cu o membrana ce contine anticorpi. In 1987, D. Begreld, [75] a realizat o astfel de proba pentru detectarea imunoglobulinei umane IgG cu ajutorul albuminei. S-au detectat concentratii de analit de ordinul 10^-11..10^-7 mol/l, [2, 75]. Avantajul major al unor astfel de dispozitive este receptionarea sigura doar a analitului dorit (deoarece se lucreaza pe principiul lacat-cheie). Dezavantajele sunt legate de dificultatea realizarii unei membrane receptoare perfect izolatoare, dar si imuno-responsiva si suficient de subtire pentru a transmite cresterile de potential cauzate de cuplarea Ag-Ac, la suprafata semiconductorului.

Cea mai consacrata aplicatie in medicina a metodei potentiometrice a fost masurarea ureei sangvine. Ureea, in prezenta catalizatorului ureaza, da anumiti ioni ca produsi de reactie: NH₄⁺, OH^-, HCO₃^-. Concentratia acestor substante incarcate electric a fost usor de masurat cu ISE. Aceasta clasa tranzistoarelor Bio-FET, ce utilizeaza o membrana enzimatica receptiva pentru ionii de analit (amoniu, in cazul de fata) poarta numele de EN-FET (ENzime-FET). Enzima receptoare - ureaza - se depune fie pe capacitoare MOS cu straturi de Ir/Pd, fie in poarta tranzistorului peste un strat de Si₃N₄. Raspunsul neliniar al unui astfel de senzor va fi studiat in paragraful 10.9.

Intrebare: Care este diferenta intre ISFET si ENFET ?

Rǎspuns: La tranzistorul ISFET, metalul portii (Pt, Pd, Ir) este elementul receptor. El reactioneazǎ electrochimic cu ionii (de H⁺, K⁺, Ca⁺) si formeazǎ la echilibru termic un  ''material cu un alt E_F'', conform relatiei lui Nerst. Variatiile de concentratie de analit (ioni in cazul nostru) se traduc in variatii ale f_MS. La tranzistoarele ENFET, pe metalul portii se depune o enzimǎ receptoare (de exemplu acetilcolinesteraza - AcChE). Ea va favoriza hidroliza acetilcolinei in colina, acetat si H⁺. In urma reactiei rezulta 1 mol de H⁺ per 1 mol de reactant de acetilcolina. EN-FET-urile sunt in majoritate senzori de metabolism, iar in cazul de fata se masoara concentratia ionilor de H⁺. Acesta este rolul enzimei specifice - ca accelereaza foarte mult o reactie catalitica (hidroliza in exemplul nostru), si se obtin ioni de H⁺ cu preponderenta din hidroliza doar a analitului (acetilcolina in exemplul nostru). Concentratia de analit se traduce in concentratie de sarcinǎ acumulatǎ in poarta tranzistorului si deci in variatii de curent prin tranzistor.

3. Optimizari ale tranzistoarelor Bio-FET

Sa consideram un tranzistor Bio-FET care masoara concentratia ionilor de K⁺ captati de o membrana permeabila. De fapt este vorba de un tranzistor MIS-FET care are, in locul oxidului de poarta, biolichid ce contine ioni. Receptorii se pot depune fie langa metalul portii, fie langa suprafata semiconductorului, fie sunt dispersati in volumul respectiv. Cand biolichidul curge prin acest spatiu, receptorii capteaza ionii de K⁺ (in aceeasi maniera in care celulele vii retin analitii din sange, cand acesta curge prin capilare foarte inguste). Ionii se vor aglomera langa receptor.

(a) (b) (c)

Fig. 10.7. Distributia sarcinii ionice de analit (K⁺) captat de receptori (liniile punctate) ce au fost plasati: (a) superior, (b) inferior, (c) uniform in volum.

Metalul portii detine un f_MS cunoscut. Sarcina ionilor de potasiu, captati din lichidul purtator de catre receptor, polarizeaza poarta tranzistorului. Acelasi lucru il faceau ionii de sodiu si potasiu in cazul tranzistoarelor MOS, atunci cand calculam tensiunea de benzi netede.

Se studiaza in continuare pozitia de amplasare optima a unei membrane cu receptori in spatiul portii tranzistorului Bio-FET, astfel incat efectul ionilor sa fie cat mai puternic resimtit la suprafata semiconductorului, [76]. In figura 10.7 sunt prezentate trei variante de distributie a sarcinii electrice ionice in dreptul portii tranzistorului, cand receptorii sunt plasati: superior (la x=0), inferior (la x=x_G) si dispersati uniform in volumul portii (vezi si fig. 10.8).

Fig. 10.8. Structura

Bio-FET.

Prin integrarea ecuatiei Poisson in spatiul , se calculeaza tensiunea echivalenta indusa pe poarta de catre ionii K⁺. Se aproximeaza distributia de sarcina ca fiind liniara in cele 3 situatii. Daca se noteaza cu C_G = e_is/x_G capacitatea specifica a izolatorului de deasupra portii si cu r_sa r_sb r_sc, densitatile de sarcina de suprafata in cele 3 cazuri (vezi fig. 10.7.a, b, c), se deduc urmatoarele expresii pentru tensiunea indusa pe poarta:

(10.5)

Se poate presupune ca r_sa r_sb r_sc pentru receptori identici, ce atrag aceeasi cantitate de analit la suprafata, indiferent de pozitie. Un raspuns maxim se obtine in cazul c. Daca nu este posibila plasarea receptorilor uniform in volum, atunci preferabila este situatia b, adica plasarea receptorilor cat mai aproape de suprafata semiconductorului.