Вплив додаткового буферного шару на чутливість сенсора СРБ на основі ІСПТ

Abstract

Запропоновано й досліджено сенсор на основі іон-селективного польового транзистора (ІСПТ) для електронного детектування С-реактивного білка (СРБ). CРБ є маркером виявлення запальних процесів в організмі, а також дозволяє прогнозувати ймовірність виникнення серцево-судинних захворювань. Описано фізико-технологічні та топологічні особливості запропонованого сенсора на основі ІСПТ з підзатворним діелектриком СеО2. Двоокис церію є перспективним матеріалом для використання в якості підзатворного діелектрика для МДН-транзисторів і має низку переваг у порівнянні з плівками двоокису кремнію, який широко використовується для виготовлення ІСПТ. Зокрема, більшу щільність поверхневих чутливих центрів, забезпечує кращу діелектричну ізоляцію структури, менший струм втрат через діелектрик, високу термічну та хімічну стабільність, біосумісність, а також ефективну іммобілізацію біохімічних елементів із застосуванням мембран при створенні біосенсорів. Це пояснюється тим, що сталі гратки кремнію та оксиду церію близькі за значенням, що забезпечує низьку густину поверхневих станів на межі розділу діелектрик-напівпровідник. Проведено порівняльний аналіз експериментальних характеристик сенсора без та з використанням додаткового буферного шару (меланіну). Зображення обох поверхонь отримані за допомогою оптичного мікроскопа майже не відрізняються, за винятком того, що поверхня з меланіном має розвиненішу структуру. На основі цього було зроблено припущення про можливість осідання більшої кількості стрептавідину на поверхню і як результат — більшої кількості утворення пар антиген-антитіло, як однієї з основних реакцій, на яких базується робота біосенсорів. За результатами вимірювань визначено чутливість обох структур сенсорів і встановлено, що чутливість сенсора без додаткового шару становить 92 мВ/(мг/л), а з меланіном 204,4 мВ/(мг/л). Таким чином, шар меланіну підвищує чутливість сенсора більше ніж у 2 рази, а розроблений сенсор може ефективно застосовуватися для виявлення запалення в організмі людини на ранніх стадіях та аналізу ризику виникнення серцево-судинних захворювань, зменшуючи кількість смертельних випадків.

The properties of sensor structure based on ion selectivity field effect transistor for electrical detection of C-reactive protein (CRP) were described and investigated in this paper. This protein is an acute phase biomarker that allows identification of inflammation in human body and also the CRP blood level is known to be associated with probability of cardio-vascular diseases. The physico-technlogical and topological characteristics of sensor based on ISFET with СеО2 gate dielectric were studied and described in this paper. Cerium dioxide is a promising material for utilization as a gate oxide for FET fabrication and has a number of advantages compared to SiO2, In particular, it characterized by higher density of surface sensitive centers, better dielectric structure isolation, less current leakage through the dielectric, higher thermal and chemical stability, biocompatibility, as well as effective immobilization of biochemical elements using membranes to create biosensors. Silicon and cerium materials also have close value soflattice constants, ensuring their better adhesion in the structure of the ISFET. The experimental characteristics for both modification of sensors with and without addition buffer layer (melanin) were compared. Surfaces of both structures are almost the same in optical microscope, except surface with melanin has more branched structure. Based on this it was assumed that more streptavidin can be deposited on the surface and, as a result, a greater number of pairs of antigen-antibodies as one of the main working reactions of the biosensors. According to the measurements, sensitivity for both types of sensors was determined and it was established that the sensor sensitivity without melanin was 92 mV/(mg/L), and with addition buffer layer — 204,4 mV/(mg/L). Therefore the additional layer of melanin increases the sensor sensitivity more than 2 folds and this type of sensor is valuable to detect inflammation in human body at the early stage and predict the probability to appear the cardiovascular diseases and also decrease the number of deaths.

Предложен и исследован сенсор на основе ион-селективного полевого транзистора (ИСПТ) для электронного детектирования С-реактивного белка (СРБ). CРБ является маркером выявления воспалительных процессов в организме, а также позволяет прогнозировать вероятность возникновения сердечнососудистых заболеваний. Описаны физико-технологические и топологические особенности предлагаемого сенсора на основе ИСПТ с подзатворным диэлектриком СеО2. Двуокись церия является перспективным материалом для использования в качестве подзатворного диэлектрика для МДП-транзисторов и имеет ряд преимуществ по сравнению с пленками двуокиси кремния, широко используемого при изготовлении ИСПТ. В частности, большую плотность поверхностных чувствительных центров, обеспечивает лучшую диэлектрическую изоляцию структуры, меньший ток потерь через диэлектрик, высокую термическую и химическую стабильность, биосовместимость, а также эффективную иммобилизацию биохимических элементов с применением мембран при создании биосенсоров. Это объясняется тем, что постоянные решеток кремния и оксида церия близки по значению, что обеспечивает низкую плотность поверхностных состояний на границе раздела диэлектрик-полупроводник. Проведен сравнительный анализ экспериментальных характеристик сенсора без и с использованием дополнительного буферного слоя (меланина). Изображения обеих поверхностей, полученные с помощью оптического микроскопа, почти не отличаются, за исключением того, что поверхность с меланином имеет более развитую структуру. На основе этого было сделано предположение о возможности оседания большего количества стрептавидина на поверхность и как результат — большего количества образования пар антиген-антитело, как одной из основных реакций на которых базируется работа биосенсоров. По результатам измерений были определены чувствительность обеих структур сенсоров и установлено, что чувствительность сенсора без дополнительного слоя составляет 92 мВ/(мг/л), а с меланином 204,4 мВ/(мг/л). Таким образом, слой меланина повышает чувствительность сенсора более чем в 2 раза, а разработанный сенсор может эффективно применяться для выявления воспаления в организме человека на ранних стадиях и для анализа риска возникновения сердечнососудистых заболеваний, уменьшая количество смертельных случаев.