BioFET – Biological Field Effect Transistor
BioFET, czyli biologiczny tranzystor polowy (Biological Field Effect Transistor), to nowoczesne urządzenie półprzewodnikowe, które łączy technologie mikroelektroniki z biologią. Dziś opowiem, jak działa BioFET, dlaczego jest tak ważny w diagnostyce medycznej i biotechnologii oraz jakie możliwości otwiera przed inżynierami i naukowcami. BioFET to przykład zastosowania klasycznej zasady działania tranzystora polowego w detekcji molekularnej i sensorach biologicznych, co czyni go kluczowym elementem w rozwoju nowoczesnych bio-sensorów.
Podstawy działania BioFET
Tranzystor polowy (FET) działa na zasadzie kontrolowania przepływu prądu przez kanał półprzewodnikowy za pomocą pola elektrycznego przyłożonego do bramki (gate). W BioFET ta bramka jest zastąpiona lub pokryta warstwą biologiczną, która reaguje na obecność specyficznych cząsteczek, takich jak DNA, białka, czy inne biomarkery. Zmiana ładunku na powierzchni bramki wpływa na przewodność kanału, co jest mierzone jako zmiana sygnału elektrycznego. Dzięki temu BioFET potrafi wykrywać nawet bardzo niskie stężenia substancji biologicznych.
Zastosowania BioFET
- Diagnostyka medyczna – wykrywanie markerów chorób w próbkach krwi czy śliny
- Analiza genetyczna – szybkie wykrywanie sekwencji DNA i RNA
- Monitorowanie środowiska – wykrywanie zanieczyszczeń biologicznych
- Systemy biosensorów w przemyśle farmaceutycznym i biotechnologicznym
Przykładem jest zastosowanie BioFET w testach na obecność wirusa, gdzie precyzja i szybkość detekcji mają krytyczne znaczenie. To urządzenie pozwala na miniaturyzację systemów diagnostycznych i przeniesienie ich do laboratoriów mobilnych lub nawet urządzeń przenośnych.
Budowa i materiały
Typowy BioFET składa się z kanału półprzewodnikowego, izolującej warstwy bramki oraz bio-czułej powierzchni. Na tej powierzchni immobilizowane są specyficzne receptory, które wiążą się z docelowymi cząsteczkami biologicznymi. Wykorzystuje się różne materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem (Si), tlenek cynku (ZnO), czy nanorurki węglowe (CNT), które charakteryzują się wysoką czułością i stabilnością sygnału. Warstwa bio-czuła jest często wykonana z polimerów, enzymów lub aptamerów.
Proces detekcji i pomiaru
Podczas pomiaru, kiedy cząsteczka docelowa łączy się z receptorami na powierzchni BioFET, zmienia się lokalne pole elektryczne. Ta zmiana wpływa na przewodność kanału, co może być bezpośrednio zmierzone jako zmiana prądu. Dzięki temu możliwe jest szybkie i selektywne wykrywanie biologicznych substancji bez konieczności stosowania dodatkowych oznaczników, co znacznie upraszcza analizę.
Zalety i wyzwania BioFET
- Wysoka czułość i selektywność
- Możliwość miniaturyzacji i integracji z układami elektronicznymi
- Szybki czas reakcji i możliwość detekcji w czasie rzeczywistym
- Wyzwania: stabilność bio-czułej warstwy, odporność na interferencje środowiskowe, skalowalność produkcji
BioFET to technologia, która łączy elektronikę z biotechnologią, umożliwiając tworzenie inteligentnych sensorów. Zbliżając się do zrozumienia tych urządzeń, łatwiej dostrzegamy związek z klasycznymi elementami elektronicznymi, takimi jak MOSFET, które już omawialiśmy w poprzednich wpisach. Z kolei w nadchodzących artykułach przyjrzymy się bliżej biosensorom optycznym i metodom analizy molekularnej, które często uzupełniają możliwości BioFET.
