ไบโอเซนเซอร์แบบทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าหรือที่รู้จักกันในชื่อไบโอเซนเซอร์แบบทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า ( Bio-FET ^{[ 1 ]}หรือBioFET ) ไบโอเซนเซอร์แบบสนามไฟฟ้า ( FEB ) ^{[ 2 ]}หรือไบโอเซนเซอร์ MOSFET [ ^{3 ]}คือทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (ตาม โครงสร้าง MOSFET ) ^{[ 3 ]}ที่ถูกควบคุมด้วยการเปลี่ยนแปลงของศักยภาพพื้นผิวที่เกิดจากการจับตัวของ^{โมเลกุล}เมื่อโมเลกุลที่มีประจุ เช่นโมเลกุลชีวภาพจับกับเกตของ FET ซึ่งโดยปกติจะเป็น วัสดุ ไดอิเล็กทริก โมเลกุลเหล่านั้นสามารถเปลี่ยนแปลงการกระจายประจุของ วัสดุ เซมิคอนดักเตอร์ ที่อยู่ด้านล่าง ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการนำไฟฟ้าของช่อง FET ^{[ 4 ] [ 5 ]} Bio-FET ประกอบด้วยสองส่วนหลัก คือ ส่วนหนึ่งเป็นองค์ประกอบการรับรู้ทางชีวภาพ และอีกส่วนหนึ่งเป็นทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า^{[ 1 ] [ 6 ]}โครงสร้าง BioFET ส่วนใหญ่มีพื้นฐานมาจากทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าที่ไวต่อไอออน (ISFET) ซึ่ง เป็นทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) ชนิดหนึ่ง โดยที่ เกตโลหะถูกแทนที่ด้วยเมมเบรนที่ไวต่อไอออน สารละลาย อิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรดอ้างอิง^{[ 7 ]}

ไบโอ-เอฟที (Bio-FET) ผสาน อุปกรณ์ ทรานซิสเตอร์เข้ากับชั้นที่ไวต่อชีวภาพซึ่งสามารถตรวจจับโมเลกุลชีวภาพโดยเฉพาะ เช่น กรดนิวคลีอิกและโปรตีน ระบบไบโอ-เอฟที ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า แบบเซ _มิคอนดักเตอร์ที่ทำหน้าที่เป็น ตัวแปลงสัญญาณซึ่งแยก จากองค์ประกอบการรับรู้ทางชีวภาพ (เช่น ตัวรับหรือโมเลกุลโพรบ) ซึ่งมีความเฉพาะเจาะจงต่อโมเลกุลเป้าหมายที่เรียกว่าสารวิเคราะห์โดยมีชั้นฉนวน (เช่นSiO2 ) คั่นอยู่ ^{[ 8 ]}เมื่อสารวิเคราะห์จับกับองค์ประกอบการรับรู้ การกระจายประจุที่พื้นผิวจะเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าสถิตของพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ การเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าของพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์นี้ทำหน้าที่เหมือนแรงดันเกตในMOSFET แบบดั้งเดิม กล่าวคือ การเปลี่ยนแปลงปริมาณกระแสที่สามารถไหลระหว่างขั้วไฟฟ้าแหล่งกำเนิดและขั้วไฟฟ้าปลายทาง^{[ 9 ]}การเปลี่ยนแปลงของกระแส (หรือการนำไฟฟ้า ) นี้สามารถวัดได้ ดังนั้นจึงสามารถตรวจจับการจับของสารวิเคราะห์ได้ ความสัมพันธ์ที่แม่นยำระหว่างกระแสและความเข้มข้นของสารวิเคราะห์ขึ้นอยู่กับบริเวณการทำงานของทรานซิสเตอร์^{[ 10 ]}

การผลิตระบบ Bio-FET ประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆ ดังต่อไปนี้:

1. การค้นหาพื้นผิวที่เหมาะสมสำหรับใช้เป็นตำแหน่งของ FET และการสร้าง FET บนพื้นผิวนั้น
2. การเปิดเผยบริเวณที่ใช้งานของ FET จากพื้นผิว
3. โดยการติดตั้งชั้นฟิล์มตรวจจับไว้ที่บริเวณใช้งานของ FET
4. โดยการจัดเตรียมตัวรับสัญญาณบนชั้นฟิล์มตรวจจับ เพื่อใช้ในการตรวจจับไอออน
5. การกำจัดชั้นสารกึ่งตัวนำและการทำให้ชั้นฉนวนบางลง
6. ทำการกัดเซาะส่วนที่เหลือของชั้นฉนวนเพื่อเปิดเผยบริเวณที่ใช้งานของ FET
7. ลอกสารไวแสงออก แล้วเคลือบฟิล์มตรวจจับ จากนั้นสร้างลวดลายไวแสงบนฟิล์มตรวจจับ
8. การกัดส่วนที่ไม่ได้รับการป้องกันของชั้นฟิล์มตรวจจับ และการกำจัดโฟโตเรซิสต์^{[ 11 ]}

หลักการทำงานของอุปกรณ์ Bio-FET ขึ้นอยู่กับการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของศักย์ไฟฟ้าสถิตเนื่องจากการจับตัวของสารวิเคราะห์ กลไกการทำงานนี้เหมือนกับ เซนเซอร์ อิเล็กโทรดแก้วซึ่งตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของศักย์พื้นผิวเช่นกัน แต่ได้รับการพัฒนามาตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1920 แล้ว เนื่องจากขนาดของการเปลี่ยนแปลงของศักย์พื้นผิวเมื่อมีการจับตัวของโมเลกุลชีวภาพหรือการเปลี่ยนแปลงค่า pH มีขนาดเล็ก อิเล็กโทรดแก้วจึงต้องใช้ตัวขยายสัญญาณที่มีอิมพีแดนซ์สูง ซึ่งทำให้ขนาดและต้นทุนของอุปกรณ์เพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม ข้อดีของอุปกรณ์ Bio-FET คือมันทำงานเป็นตัวขยายสัญญาณภายใน โดยแปลงการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของศักย์พื้นผิวให้เป็นการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ของกระแสไฟฟ้า (ผ่านส่วนประกอบทรานซิสเตอร์) โดยไม่จำเป็นต้องมีวงจรเพิ่มเติม นั่นหมายความว่า BioFET มีศักยภาพที่จะมีขนาดเล็กกว่าและราคาไม่แพงกว่าไบโอเซนเซอร์ ที่ใช้อิเล็กโทรดแก้วมาก หากทรานซิสเตอร์ทำงานในบริเวณใต้เกณฑ์ (subthreshold region ) จะคาดได้ว่ากระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณสำหรับการเปลี่ยนแปลงหนึ่งหน่วยของศักย์พื้นผิว

Bio-FETs สามารถใช้สำหรับการตรวจจับในสาขาต่างๆ เช่นการวินิจฉัยทางการแพทย์ [ ^{12 ] [ 11 ]}การวิจัยทางชีววิทยาการปกป้องสิ่งแวดล้อม และการวิเคราะห์อาหาร การวัดแบบดั้งเดิม เช่น ^การวัดด้วยแสง การวัดด้วยสเปกโทรเมตรี การวัดด้วยไฟฟ้าเคมี และการวัด SPR ก็สามารถใช้ในการวิเคราะห์โมเลกุลทางชีวภาพได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม วิธีการแบบดั้งเดิมเหล่านี้ค่อนข้างใช้เวลานานและมีราคาแพง เกี่ยวข้องกับกระบวนการหลายขั้นตอน และยังไม่เข้ากันกับการตรวจสอบแบบเรี ยลไทม์ ^{[ 13 ]}ซึ่งแตกต่างจาก Bio-FETs Bio-FETs มีน้ำหนักเบา ต้นทุนการผลิตจำนวนมากต่ำ ขนาดเล็ก และเข้ากันได้กับกระบวนการระนาบเชิงพาณิชย์สำหรับวงจรขนาดใหญ่ สามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกแบบดิจิทัลสำหรับLab-on-a-chip ได้อย่างง่ายดาย ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกสามารถควบคุมการขนส่งหยดตัวอย่างในขณะที่เปิดใช้งานการตรวจจับโมเลกุลทางชีวภาพการประมวลผลสัญญาณและการส่งข้อมูล โดยใช้ชิปแบบรวมทุกอย่างไว้ในชิปเดียว^{[ 14 ]} Bio-FET ยังไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนการติดฉลาก^{[ 13 ]}และเพียงแค่ใช้โมเลกุลเฉพาะ (เช่น แอนติบอดี, ssDNA ^{[ 15 ]} ) บนพื้นผิวเซนเซอร์เพื่อให้เกิดการเลือกสรร Bio-FET บางชนิดแสดงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงที่น่าสนใจ ตัวอย่าง FET หนึ่งตัวคือ FET ที่ไวต่อกลูโคสโดยอาศัยการดัดแปลงพื้นผิวเกตของ ISFET ด้วยอนุภาคนาโน SiO ₂และเอนไซม์กลูโคสออกซิเดส (GOD) อุปกรณ์นี้แสดงให้เห็นถึงความไวที่เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่ไม่มีอนุภาคนาโน SiO ₂ ^{[ 16 ]}

การเลือกอิเล็กโทรดอ้างอิง (เกตของเหลว) หรือแรงดันเกตด้านหลังจะเป็นตัวกำหนดความเข้มข้นของตัวนำภายในทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้า และด้วยเหตุนี้จึงกำหนดขอบเขตการทำงานของทรานซิสเตอร์ ดังนั้นการตอบสนองของอุปกรณ์จึงสามารถปรับให้เหมาะสมที่สุดได้โดยการปรับแรงดันเกต หากทรานซิสเตอร์ทำงานในบริเวณใต้เกณฑ์จะคาดได้ว่ากระแสจะเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์ponential สำหรับการเปลี่ยนแปลงหนึ่งหน่วยของศักย์ผิว การตอบสนองมักจะรายงานเป็นการเปลี่ยนแปลงของกระแสเมื่อมีการจับกับสารวิเคราะห์หารด้วยกระแสเริ่มต้น ( ) และค่านี้จะมีค่าสูงสุดเสมอในบริเวณใต้เกณฑ์ของการทำงานเนื่องจากการขยายตัวแบบเอกซ์ponential นี้^{[ 10 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}สำหรับอุปกรณ์ส่วนใหญ่ อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งกำหนดเป็นการเปลี่ยนแปลงของกระแสหารด้วยสัญญาณรบกวนพื้นฐาน ( ) จะได้รับเมื่อทำงานในบริเวณใต้เกณฑ์เช่นกัน^{[ 10 ] [ 20 ]}อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนแตกต่างกันไปในแต่ละอุปกรณ์ จึงขึ้นอยู่กับอุปกรณ์นั้นๆ^{[ 21 ]}${\displaystyle \เดลต้า I/I_{0}}$${\displaystyle \Delta I/\delta i_{\text{noise}}}$

การปรับปรุง Bio-FET อย่างหนึ่งอาจเป็นการวางพื้นผิวพาสซิเวชันแบบไม่ชอบน้ำบนแหล่งกำเนิดและตัวรับเพื่อลดการจับตัวของโมเลกุลชีวภาพที่ไม่จำเพาะเจาะจงกับบริเวณที่ไม่ใช่พื้นผิวการตรวจจับ^{[ 22 ] [ 23 ]}กลยุทธ์การปรับปรุงอื่นๆ อีกมากมายได้รับการทบทวนในเอกสาร^{[ 10 ] [ 24 ] [ 25 ]}

MOSFET ถูกคิดค้นขึ้นที่ Bell Labs ระหว่างปี 1959 ถึง 1960 ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}ในปี 1962 Leland C. Clarkและ Champ Lyons ได้คิดค้นไบโอเซนเซอร์ตัวแรก[ 29 ^{] [ 30 ]ต่อมา}ได้มีการพัฒนาไบโอเซนเซอร์ MOSFET (BioFET) และตั้งแต่นั้นมาก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการ^วัดพารามิเตอร์ทางกายภาพเคมีชีวภาพและสิ่งแวดล้อม^{[ 3} ]

BioFET ตัวแรกคือทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าไวต่อไอออน (ISFET) ซึ่งคิดค้นโดยPiet Bergveldสำหรับการใช้งานทางเคมีไฟฟ้าและชีวภาพ ในปี 1970 ^{[ 31 ] [ 32 ]} BioFET รุ่นแรกๆ อื่นๆ ได้แก่ ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า แบบดูดซับ (ADFET) ที่ได้รับสิทธิบัตรโดย PF Cox ในปี 1974 และ MOSFET ที่ไวต่อ ไฮโดรเจนซึ่งสาธิตโดย I. Lundstrom, MS Shivaraman, CS Svenson และ L. Lundkvist ในปี 1975 ^{[ 3 ]} ISFET เป็น MOSFET ชนิดพิเศษที่มีเกตอยู่ที่ระยะห่างที่กำหนด^{[ 3 ]}และเกตโลหะถูกแทนที่ด้วยเมม เบรน ที่ไวต่อไอออนสารละลาย อิ เล็กโทรไลต์และ อิเล็กโทร ดอ้างอิง^{[ 33 ]} ISFET ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน การใช้งาน ทางชีวการแพทย์เช่น การตรวจจับการผสมพันธุ์ของ^DNAการตรวจ จับ ไบโอมาร์กเกอร์จากเลือดการตรวจจับแอนติบอดีการวัดกลูโคสการ ตรวจวัด ค่า pHและเทคโนโลยีทางพันธุกรรม^{[ 33} ]

ในช่วงกลางทศวรรษ 1980 มีการพัฒนา BioFET อื่นๆ ขึ้นมา ได้แก่ ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบ ตรวจจับก๊าซ (GASFET), ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบตรวจจับความดัน (PRESSFET), ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบเคมี (ChemFET) , ISFET อ้างอิง (REFET), FET ที่ดัดแปลงด้วยเอนไซม์ (ENFET) และ FET ที่ดัดแปลงด้วยภูมิคุ้มกัน (IMFET) ^{[ 3 ]}ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 มีการพัฒนา BioFET เช่นทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบดีเอ็นเอ (DNAFET), FET ที่ดัดแปลงด้วยยีน (GenFET) และBioFET ศักยภาพของเซลล์ (CPFET) ^{[ 33 ]}งานวิจัยในปัจจุบันในด้านนี้ได้สร้าง BioFET รูปแบบใหม่ เช่น Organic Electrolyte Gated FET (OEGFET) ^{[ 34 ]}

• ChemFET : ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าที่ไวต่อสารเคมี
• ISFET : ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าไวต่อไอออน