综述：面向医疗保健监测的场效应晶体管生物传感器
2024-09-21 22:32:01   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着医疗保健监测需求的不断增长，场效应晶体管（FET）生物传感器作为一种高效的检测技术备受瞩目。FET生物传感器具有灵敏度高、响应速度快、操作简单、可集成和无标记检测等固有优势。这些特点使其特别适合用于检测各种生理参数和生物标志物，从而提供对个性化医疗和疾病预防至关重要的实时数据。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自中国地质大学的研究人员在Interdisciplinary Medicine期刊上发表题为“Field effect transistor biosensors for healthcare monitoring”的综述，全面阐述了FET生物传感器在医疗保健监测领域的最新进展。首先，本文系统分析了FET生物传感器的器件结构、传感机制和性能评估方法，以深入了解其工作原理和特点。随后，该综述总结了FET生物传感器在检测核酸、蛋白质、外泌体、病毒等健康相关生物标志物方面的应用。最后，该综述介绍了基于FET生物传感器的工程化医疗传感器原型，例如即时检测（POCT）器件、可穿戴传感器和植入式传感器，并重点分析了这些器件在健康管理中的实际效用和潜力。此外，本文还探讨了FET生物传感器在医疗保健监测应用中的关键问题和前景，旨在为该领域的研究和创新提供一些参考和见解。

图1 FET生物传感器在医疗保健监测中的应用

FET生物传感器的结构

如图2A所示，FET生物传感器主要由两部分组成：生物识别部分和信号转导部分。生物识别部分包括模拟生理环境的缓冲液、生物识别探针和接头；信号转导部分则由高性能FET构成，后者是一种典型的三端子器件，包括电极（源极、漏极和栅极）、沟道材料和衬底（绝缘层）。在大多数应用中，金（Au）被用作源极、漏极和栅极的电极材料。为了增强金电极与沟道或衬底之间的粘附力，可以插入铬（Cr）、钛（Ti）、镍（Ni）或其它金属作为中间层。

沟道材料作为固定探针的载体，在监测传感事件和信号转导方面起着至关重要的作用，并对外部刺激表现出高灵敏度。在N型沟道中，电子在正栅极电压下充当多数电荷载流子，导致电流从漏极流向源极。这是因为正栅极电压将电子吸引到沟道中，从而提高了导电性。相反，在P型沟道中，空穴在负栅极电压下充当多数电荷载流子，导致电流从漏极流向源极。负栅极电压排斥电子，产生更高浓度的空穴，从而促进电流的流动。栅极电压通过绝缘层（介电层）施加到沟道材料上，改变沟道中的电荷分布，从而控制源极和漏极之间的电流。

绝缘层通常由二氧化硅（SiO₂）制成，以提供隔离和电容，确保栅极电压可以有效地调节沟道材料中的载流子。近年来，为了优化FET的传感性能，人们开始使用二氧化铪（HfO₂）和氧化铝（Al₂O₃）涂层等高K材料（具有高介电常数）来取代二氧化硅，以降低器件的工作电压，并营造理想的传感环境。

此外，栅极配置通常根据功能要求进行定制，常见的配置包括液态栅极、背栅极、双栅极和浮动栅极。在生物传感应用中，通常采用液态栅极传感模式，在这种模式中，栅极电压通过银/氯化银（Ag/AgCl）电极施加到缓冲溶液中。缓冲溶液的高介电常数使得液态栅极FET生物传感器能够在比传统栅极结构（需要超过10 V的电压）低得多的电压（小于1 V）下工作。这种配置增强了生物传感器的灵敏度和效率，使其适用于实时监测生物交互。

图2 FET生物传感器的结构和工作原理

FET生物传感器的传感机制

FET生物传感器的传感原理主要依赖于沟道材料表面附近的有效电荷传导和FET器件的信号放大效应。当施加栅极偏置电压（VGS）时，FET生物传感器可视为一个电容器，其中栅极和沟道充当电容器的两极。外部干扰会改变栅极和沟道上的电位差，这些干扰包括生物分子的固有电荷、酶活动导致的离子浓度变化，以及温度和脉冲等电生理信号的变化。这些变化会调节沟道内的载流子密度和迁移率，从而控制沟道电流。

图2C展示了一种采用N型半导体作为沟道材料的液态栅FET生物传感器。垂直于沟道的电场会诱导沟道中的多数载流子（电子），从而使沟道导电并产生源极-漏极电流（IDS）。随后，溶液中的生物标志物被功能化探针分子捕获，带电分子通过静电门控效应、电荷转移和双层效应引起FET电流-电压特性的正负变化，最终将捕获的信号转化为可测量和观察的电信号。

FET生物传感器在生物标志物检测中的应用

健康问题往往伴随着各种生物标志物的异常表达。生物标志物可以是各种微尺度的生物大分子，如蛋白质、核酸和小分子，也可以是宏尺度的囊泡、病毒和细胞。它们被广泛用于传染病或癌症的无创筛查、早期检测和预后指导。本文主要介绍了FET生物传感器在宏/微尺度检测生物标志物的应用。

图3 FET生物传感器在核酸检测中的应用

图4 FET生物传感器在细胞检测中的应用

医疗保健应用的工程化FET生物传感器

随着个性化医疗需求的不断增长，基于FET的生物传感系统在POCT、可穿戴和植入式器件等领域显示出巨大的潜力和应用前景。本文概述了工程化FET生物传感器的原型应用和系统的制造技术，并展望了其当前面临的挑战和未来的技术发展方向。

图5 基于FET的POCT器件

图6 基于FET的可穿戴传感器

图7 基于FET的植入式传感器

总而言之，本综述系统地概述了用于医疗保健管理的FET生物传感器的最新发展，涵盖了从单个器件级别的基本监测到工程化集成系统的应用。FET生物传感器因其高灵敏度、高选择性、低成本和易于集成的特点，在各种尺度的生物标志物检测中显示出巨大的潜力和优势。此外，通过与MEMS集成，FET生物传感器可以实现小型化、多功能和智能化的临床诊断设备，为医疗保健领域提供新的解决方案和机会。

论文链接：https://doi.org/10.1002/INMD.20240032

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《可穿戴技术及市场-2023版》

《DNA测序技术及市场-2022版》