バイオFET

電界効果トランジスタベースのバイオセンサーは、バイオセンサー電界効果トランジスタ（Bio-FET ^[1]またはBioFET）、電界効果バイオセンサー（FEB）^[2]、またはバイオセンサーMOSFET ^[3]とも呼ばれ、分子の結合によって引き起こされる表面電位の変化によってゲートされる電界効果トランジスタ（MOSFET構造に基づく）[3] です。生体分子などの荷電分子がFETゲート（通常は誘電体）に結合すると、下にある半導体材料の電荷分布が変化し、FETチャネルのコンダクタンスが変化する可能性があります。[ ⁴ ] [ 5 ] Bio - FETは、^2つの主要なコンパートメントで構成されています。1つは生物学的認識要素で、もう1つは電界効果トランジスタです。^{[1] [6]}バイオFETの構造は、金属ゲートをイオン感応膜、電解質溶液、および参照電極に置き換えた金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）の一種であるイオン感応電界効果トランジスタ（ ISFET ）に基づいています。^[7]

バイオ FETは、トランジスタデバイスと、核酸やタンパク質などの生体分子を特異的に検出できる生体感応層を組み合わせたものです。バイオ FET システムは、トランスデューサーとして機能する半導体電界効果トランジスタで構成されており、トランスデューサーは、分析対象分子に選択的な生物学的認識要素 (受容体やプローブ分子など) から絶縁層 ( SiO ₂など) で分離されています。^[8]分析対象が認識要素に結合すると、表面の電荷分布が半導体の静電表面電位の変化に応じて変化します。半導体の表面電位の変化は、従来の MOSFET のゲート電圧のように機能し、ソース電極とドレイン電極の間を流れる電流量を変化させます。^[9]この電流 (またはコンダクタンス) の変化を測定できるため、分析対象の結合を検出できます。電流と分析対象濃度の正確な関係は、トランジスタの動作領域によって異なります。^[10]

Bio-FET システムの製造は、次のようないくつかのステップで構成されます。

1. FETサイトとして適した基板を見つけ、その基板上にFETを形成する。
2. FETの活性部位を基板から露出させ、
3. FETの活性部位にセンシングフィルム層を設け、
4. イオン検出に使用するために、感知フィルム層上に受容体を設ける。
5. 半導体層を除去し、誘電体層を薄くし、
6. 誘電体層の残りの部分をエッチングしてFETの活性部位を露出させる。
7. フォトレジストを除去し、センシングフィルム層を堆積し、続いてセンシングフィルム上にフォトレジストパターンを形成する。
8. センシングフィルム層の保護されていない部分をエッチングし、フォトレジストを除去する^[11]

バイオ FET デバイスの動作原理は、分析対象物の結合による静電ポテンシャルの変化を検出することに基づいています。これは、表面電位の変化も検出するガラス電極センサーと同じ動作メカニズムですが、1920 年代に開発されました。生体分子の結合または pH の変化による表面電位の変化は小さいため、ガラス電極には高インピーダンス増幅器が必要となり、デバイスのサイズとコストが増加します。対照的に、バイオ FET デバイスの利点は、追加回路を必要とせずに、本質的な増幅器として動作し、表面電位の小さな変化を (トランジスタ コンポーネントを介して) 大きな電流の変化に変換することです。つまり、バイオ FET は、ガラス電極ベースのバイオセンサーよりもはるかに小型で手頃な価格にすることができます。トランジスタをサブスレッショルド領域で動作させると、表面電位の単位変化に対して電流が指数関数的に増加することが期待されます。

バイオFETは、医療診断、^{[12] [11]}生物学研究、環境保護、食品分析などの分野での検出に使用できます。光学、分光、電気化学、SPR測定などの従来の測定も、生体分子の分析に使用できます。ただし、これらの従来の方法は、バイオFETとは対照的に、比較的時間がかかり、高価で、多段階のプロセスを必要とし、リアルタイムモニタリングにも適合していません。 ^[13]バイオFETは軽量、大量生産コストが低く、サイズが小さく、大規模回路用の商用プレーナープロセスと互換性があります。ラボオンチップ用のデジタルマイクロ流体デバイスに簡単に統合できます。たとえば、マイクロ流体デバイスは、オールインワンチップを使用して、生体分子の検出、信号処理、データ転送を可能にしながら、サンプル液滴の輸送を制御できます。^[14]バイオFETもラベリングのステップを必要とせず、^[13]単に特定の分子（抗体、ssDNA ^{[15]など）をセンサー表面に利用して選択性を提供します。一部のバイオFETは魅力的な電子的および光学的特性を示します。FETの一例は、SiO} ₂ナノ粒子と酵素グルコースオキシダーゼ（GOD）でISFETのゲート表面を修飾することに基づくグルコース感受性です。このデバイスは、SiO ₂ナノ粒子を使用しないデバイスと比較して、明らかに感度が向上し、寿命が長くなりました。^[16]

参照電極（液体ゲート）またはバックゲート電圧の選択によって、電界効果トランジスタ内のキャリア濃度が決まり、したがって動作領域が決まる。したがって、ゲート電圧を調整することでデバイスの応答を最適化できる。トランジスタがサブスレッショルド領域で動作する場合、表面電位の単位変化に対して電流が指数関数的に増加すると予想される。応答は、分析対象物結合時の電流の変化を初期電流で割った値（）として報告されることが多く、この指数関数的増幅により、この値は常にサブスレッショルド領域での動作で最大になる。^{[10] [17] [18] [19]}ほとんどのデバイスでは、電流の変化をベースラインノイズで割った値（ ）として定義される最適な信号対雑音比も、サブスレッショルド領域で動作しているときに得られるが、^{[10] [20]}ノイズ源はデバイスごとに異なるため、これはデバイスに依存する。^[21]${\displaystyle \デルタ I/I_{0}}$${\displaystyle \Delta I/\delta i_{\text{ノイズ}}}$

バイオFETの最適化の一つは、ソースとドレインに疎水性パッシベーション表面を配置して、感知表面ではない領域への非特異的な生体分子の結合を減らすことである。^{[22] [23]}他の多くの最適化戦略は文献でレビューされている。^{[10] [24] [25]}

MOSFETは、フロッシュとデリックが二酸化ケイ素による表面不活性化を発見し、その発見を利用して、ドレインとソースが同じ表面に隣接した最初の平面トランジスタを作成した1955年から1960年の間にベル研究所で発明されました。^{[27] [28] [29] [30] [31] [32]}

1962年、リーランド・C・クラークとシャン・ライオンズが最初のバイオセンサーを発明しました。^{[33] [34]その後、バイオセンサーMOSFET（バイオFET）が開発され、}物理的、化学的、生物学的、環境的パラメータの測定に広く使用されるようになりました。^[3]

最初のバイオFETは、 1970年にピエト・ベルグフェルドが電気化学および生物学の用途向けに発明したイオン感応電界効果トランジスタ（ISFET）でした。^{[35] [36]}その他の初期のバイオFETには、1974年にPFコックスが特許を取得した吸着FET（ADFET）や、 1975年にI.ルンドストロム、MSシバラマン、CSスヴェンソン、L.ルンドクヴィストが実証した水素感応MOSFETがあります。 ^[3] ISFETは、特定の距離にゲートを備えた特殊なタイプのMOSFETであり、^[3]金属ゲートがイオン感応膜、電解質溶液、および参照電極に置き換えられています。^{[37] ISFETは、} DNAハイブリダイゼーションの検出、血液からのバイオマーカー検出、抗体検出、グルコース測定、pHセンシング、遺伝子技術などの生物医学的用途で広く使用されています。^[37]

1980年代半ばまでに、ガスセンサーFET（GASFET）、圧力センサーFET（PRESSFET）、化学電界効果トランジスタ（ChemFET）、リファレンスISFET（REFET）、酵素修飾FET（ENFET）、免疫学的修飾FET（IMFET）など、他のバイオFETが開発されました。^[3] 2000年代初頭までに、DNA電界効果トランジスタ（DNAFET）、遺伝子修飾FET（GenFET）、細胞電位バイオFET（CPFET）などのバイオFETが開発されました。^[37]この分野の現在の研究では、有機電解質ゲートFET（OEGFET）などの新しいバイオFETが生み出されています。^[38]

• ChemFET : 化学的に敏感な電界効果トランジスタ
• ISFET : イオン感応電界効果トランジスタ