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用于新冠检测的场效应晶体管生物传感器

时间:2021-06-18 点击次数:

近期有研究人员提出了一种利用场效应管原理的生物传感器,可以通过鼻咽拭子样本进行快速新冠检测。

而说到场效应管,这是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的晶体管。场效应管(FET)是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,具体又可以分成两大类,一类是结型场效应管(JFET),另一类是绝缘栅场效应管(MOSFET)。

从结构上讲,场效应管由两个被沟道隔开的掺杂半导体区域组成,并且以改变沟道的载流特性的方式向器件施加电压,被通道隔开的端子称为源极(Source)和漏极(Drain),而栅极(Gate)是施加控制电压的端子。

场效应管的工作原理用一句话说,就是“可以利用栅极与沟道间的PN结形成的反偏的栅极电压,来控制漏极-源极间流经沟道的漏极电流ID”,也就是通过施加电压可以简单地调节流过通道的电流。

由于允许较小的电流或电压来调节电流,因此场效应管常用作电子开关和放大器

场效应管原理的生物传感器具有高灵敏性、高即时性等显著优点,而石墨烯则是一种具有非凡特性的单层材料,尤其是其电学特性、载流子迁移率,因此两者相结合的石墨烯基FET生物传感器具有超灵敏、低噪声的显著优点。

文章中的生物传感器就是使用1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯(PBASE)把一种特定的新冠病毒蛋白抗体固定在石墨烯片上制造的,这样在芯片表面形成一个有效的探针偶联区域。

当抗原分子(新冠病毒蛋白)在探针偶联区域上与探针发生识别并形成复合物时,引起传感器表面电荷密度的改变,从而改变离子敏感膜电位,这就相当于通过外电源调节栅极电压,达到控制源极与漏极之间的沟道电流的目的。

据研究者自称,该生物传感器对新冠病毒蛋白探测的灵敏度(LOD)可达1fg/mL,有着如此高的灵敏度,该传感器并不像传统检测手段一样需要对样本进行预处理,就可以直接使用拭子样本进行检测。

基于金属(metal)-氧化物(oxide)-半导体场效应晶体管(MOSFET)的结构和工作原理而制成的场效应管生物传感器是近年来蓬勃发展的一种新型传感技术。

通过测量漏极电流大小就可以定量分析发生在栅极离子敏感膜上的生物反应,这些生物反应包括核酸杂化、蛋白质作用、抗体抗原结合,以及酶底物反应等。

同时这种传感器具有输入阻抗高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、无二次击穿问题、安全工作区域宽等优点,无疑具有广阔的应用前景。

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