Новый биосенсор на основе квантовой механики, разработанный командой из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, предлагает огромный потенциал для обнаружения биомолекул в сверхнизких концентрациях, от мгновенной диагностики заболеваний на месте оказания медицинской помощи до обнаружения микроэлементов для судебной экспертизы и безопасности.

Каустав Банерджи, директор исследовательской лаборатории наноэлектроники и профессор электротехники и вычислительной техники в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, и аспирант Деблина Саркар предложили методологию преодоления фундаментальных ограничений обычного полевого транзистора (FET) путем разработки датчика на туннельном полевом транзисторе (T-FET), который быстрее и на четыре порядка чувствительнее.

"Это исследование закладывает основу для нового поколения сверхчувствительных биосенсоров, которые расширяют возможности обнаружения биомолекул в чрезвычайно низких концентрациях", - сказал Самир Митраготри, профессор химической инженерии и директор Центра биоинженерии в Калифорнийском университете. "Обнаружение и диагностика являются ключевой областью биоинженерных исследований в Калифорнийском университете, и это исследование представляет собой отличный пример многогранных компетенций UCSB в этой захватывающей области".

Биосенсоры на основе обычных полевых транзисторов набирают обороты как жизнеспособная технология для медицинской, криминалистической промышленности и безопасности, поскольку они экономически эффективны по сравнению с процедурами оптического обнаружения. Такие биосенсоры обеспечивают масштабируемость и обнаружение биомолекул без маркировки - исключая этап и затраты на маркировку целевых молекул флуоресцентным красителем.

Принцип любого биосенсора на основе полевых транзисторов аналогичен полевым транзисторам, используемым в цифровых схемах, за исключением того, что физический вентиль удален, и работа вентиля осуществляется заряженными версиями биомолекул, которые он намеревается обнаружить. Для иммобилизации этих биомолекул диэлектрическая поверхность, окружающая полупроводник, покрыта специфическими рецепторами, которые могут связываться с целевыми биомолекулами - процесс, называемый сопряжением.

"Механизм подачи тока термоэлектронной эмиссии в обычных биосенсорах на основе полевых транзисторов накладывает фундаментальные ограничения на их максимальную чувствительность и минимальное время обнаружения", - сказал Банерджи, которому пришла в голову идея в 2009 году, когда он изучал конструкцию туннельных полевых транзисторов для ультраэнергосберегающей интегрированной электроники.

"Мы преодолеваем эти фундаментальные ограничения, объединяя квантовую физику с биологией", - объяснил Саркар, ведущий автор статьи. "Ключевой концепцией нашего устройства является механизм впрыска тока, который использует сопряжение биомолекул для изгиба энергетических полос в области канала, что приводит к квантово-механическому явлению межполосного туннелирования. Результатом является резкое увеличение тока, что способствует повышению чувствительности и сокращению времени отклика предлагаемого датчика ".

"Резкость увеличения тока в электрическом переключателе определяется параметром, называемым подпороговым колебанием, и чувствительность любого биосенсора на основе FET увеличивается экспоненциально по мере уменьшения подпорогового колебания. Таким образом, аналогичные устройства, такие как ударно-ионизационные или наноэлектромеханические полевые транзисторы, являются перспективными для применения в биосенсорных системах ", - пояснил Банерджи. "Но поскольку T-FET могут быть легко интегрированы в широко распространенную полупроводниковую технологию на основе кремния, их можно производить массово экономически эффективным способом".

По мнению исследователей, их биосенсор T-FET, как ожидается, окажет огромное влияние на исследования в области геномики и протеомики, а также фармацевтических, клинических и криминалистических применений, включая растущий рынок диагностики in vitro и in vivo. Банерджи и Саркар подали заявку на раскрытие патента на свою технологию, которая, как ожидают исследователи, может быть готова к продаже всего через два года