طراحی و شبیه‌سازی نانوحسگر زیستی بدون برچسب برای تشخیص مولکول با استفاده از ترانزیستور اثر میدانی نانولوله بدون پیوند
الموضوعات :
1 - دانشگاه آزاد اسلامی واحد یادگار امام خمینی (ره) شهر ری،گروه الکترونیک
الکلمات المفتاحية: تابع کار گیت, ترانزیستور اثر میدان بدون پیوند, ثابت دی‌الکتریک مولکول, حسگر زیستی, ساختار نانولوله, ولتاژ آستانه,
ملخص المقالة :
حسگرهای زیستی دارای کاربردهای متنوعی خصوصاً در بخش تشخیص پزشکی هستند. در این مقاله از ترانزیستور نانولوله بدون پیوند به عنوان حسگر زیستی بدون برچسب برای تشخیص مولکول استفاده گردیده است. اساس عملکرد این حسگر بر مبنای مدولاسیون دی‌الکتریک عایق گیت است. در این ترانزیستور، گیت وظیفه کنترل جریان درین را بر عهده دارد و در صورت تغییر خازن گیت، جریان درین تغییر می‌کند. یک نانوحفره در عایق گیت ایجاد گردیده که محل قرارگیری مولکول است. از آنجا که مولکول‌های زیستی مختلف دارای ثابت دی‌الکتریک متفاوتی هستند، انباشتگی مولکول‌های مختلف در نانوحفره موجب تغییر ثابت دی‌الکتریک نانوحفره گردیده و این امر در نهایت موجب تغییر خازن گیت و تغییر جریان افزاره می‌گردد. تغییرات ولتاژ آستانه و تغییرات جریان درین به عنوان دو معیار برای شناسایی مولکول و تعیین حساسیت حسگر معرفی شده‌اند. این حسگر به دلیل دارابودن دو گیت داخلی و خارجی دارای توان مصرفی پایینی است و دارای فرایند ساخت ساده در دمای پایین می‌باشد. از مزایای ساختار مطرح‌شده در این حسگر می‌توان به حساسیت بالا و تفکیک‌پذیری بالا خصوصاً در مولکول‌هایی با ثابت دی‌الکتریک پایین اشاره نمود. اثر متغیرهای مهم ساختاری و فیزیکی بر عملکرد این حسگر به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است. تابع کار فلز گیت و آلایش کانال دو معیار بسیار مهم در حساسیت حسگر هستند که لازم است مقادیر بهینه‌ای برای آنها تعیین گردد. به دلیل توان مصرفی پایین و حساسیت بالا، این حسگر می‌تواند گزینه مناسبی برای کاربرد در ابعاد نانو باشد.
[1] M. L. Verma, "Nanobiotechnology advances in enzymatic biosensors for the agri-food industry," Environmental Chemistry Letters, vol. 15, no. 4, pp. 555-560, Dec. 2017.
[2] P. Mehrotra, "Biosensors and their applications-a review," J. of Oral Biology and Craniofacial Research, vol. 6, no. 2, pp. 153-159, Jan. 2016.
[3] S. T. Nemane, S. B. Gholve, O. G. Bhusnure, S. T. Mule, and P. V. Ingle, "Biosensors: an emerging technology in pharmaceutical industry," J. of Drug Delivery and Therapeutics, vol. 9, no. 4, pp. 643-647, Jul. 2019.
[4] D. Rodrigues, et al., "Skin-integrated wearable systems and implantable biosensors: a comprehensive review," Biosensors, vol. 10, no. 7, Article ID: 79, Jul. 2020.
[5] ز. گودرزی، ب. ابراهیمی حسین‌زاده، م. مغربی، ع. فخاری زواره، م. برشان و ح. شکی، "بررسی فاکتورهای مؤثر بر فعالیت الکتروکاتالیستی در حسگر نیکوتین،" فصل‌نامه علمی پژوهشی مهندسی پزشکی زیستی، جلد 7، شماره 2، صص. 141-133، تابستان 1392.
[6] N. Bhalla, Y. Pan, Z. Yang, and A. F. Payam, "Opportunities and challenges for biosensors and nanoscale analytical tools for pandemics: COVID-19," ACS Nano, vol. 14, no. 7, pp. 7783-7807, Jun. 2020.
[7] M. Garg, A. L. Sharma, and S. Singh, "Advancement in biosensors for inflammatory biomarkers of SARS-CoV-2 during 2019-2020," Biosensors and Bioelectronics, vol. 171, no. 1, Article ID: 112703, Jan. 2021.
[8] F. Bellando, C. K. Dabhi, A. Saeidi, C. Gastaldi, Y. S. Chauhan, and A. M. Ionescu, "Subthermionic negative capacitance ion sensitive field-effect transistor," Applied Physics Letters, vol. 116, no. 17, Article ID: 173503, Apr. 2020.
[9] S. Ma, Y. K. Lee, A. Zhang, and X. Li, "Label-free detection of Cordyceps sinensis using dual-gate nanoribbon-based ion-sensitive field-effect transistor biosensor," Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 264, pp. 344-352, Jul. 2018.
[10] I. Fakih, O. Durnan, F. Mahvash, I. Napal, A. Centeno, A. Zurutuza, V. Yargeau, and T. Szkopek, "Selective ion sensing with high resolution large area graphene field effect transistor arrays," Nature Communications, vol. 11, no. 1, pp. 1-12, Jun. 2020.
[11] J. C. Dutta, H. R. Thakur, and G. Keshwani, "High-performance dual-gate carbon nanotube ion-sensitive field effect transistor with high-$\kappa $ top gate and low-$\kappa $ bottom gate dielectrics," IEEE Sensors J., vol. 19, no. 14, pp. 5692-5699, Mar. 2019.
[12] M. Fathollahzadeh, M. Hosseini, M. Norouzi, A. Ebrahimi, M. Fathipour, M. Kolahdouz, and B. Haghighi, "Immobilization of glucose oxidase on ZnO nanorods decorated electrolyte-gated field effect transistor for glucose detection," J. of Solid State Electrochemistry, vol. 22, no. 1, pp. 61-67, Jan. 2018.
[13] T. Sakata, H. Sugimoto, and A. Saito, "Live monitoring of microenvironmental pH based on extracellular acidosis around cancer cells with cell-coupled gate ion-sensitive field-effect transistor," Analytical Chemistry, vol. 90, no. 21, pp. 12731-12736, Oct. 2018.
[14] S. Singh, P. N. Kondekar, and N. K. Jaiswal, "Comparative analysis of T-gate and L-gate dielectric modulated schottky tunneling source impact ionization MOS for label-free detection of toxic gases," J. of Nanoelectronics and Optoelectronics, vol. 13, no. 4, pp. 501-508, Apr. 2018.
[15] D. Singh, et al., "A charge-plasma-based dielectric-modulated junctionless TFET for biosensor label-free detection," IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 64, no. 1, pp. 271-278, Nov. 2018.
[16] A. Kumar, M. M. Tripathi, and R. Chaujar, "Ultralow-power dielectric-modulated nanogap-embedded sub-20-nm TGRC-MOSFET for biosensing applications," J. of Computational Electronics, vol. 17, no. 4, pp. 1807-1815, Dec. 2018.
[17] S. Singh, P. N. Kondekar, and N. K. Jaiswal, "Label-free biosensor using nanogap embedded dielectric modulated schottky tunneling source impact ionization MOS," Microelectronic Engineering, vol. 149, no. C, pp. 129-134, Jan. 2016.
[18] ATLAS, ATLAS User Manual, Santa Clara, USA: Silvaco International, 2015.
[19] M. I. Khan, I. R. Rahman, and Q. D. Khosru, "Surface potential-based analytical modeling of electrostatic and transport phenomena of GaN nanowire junctionless MOSFET," IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 67, no. 9, pp. 3568-3576, Aug. 2020.
[20] S. C. Wagaj and S. C. Patil, "Dual material gate silicon on insulator junctionless MOSFET for low power mixed signal circuits," International J. of Electronics, vol. 106, no. 7, pp. 992-1007, Jul. 2019.
[21] R. Kumar and A. Kumar, "Hetro-dielectric (HD) oxide-engineered junctionless double gate all around (DGAA) nanotube field effect transistor (FET)," Silicon, vol. 13, pp. 2177-2184, 15 Sept. 2020.
[22] Z. Ahangari, "Performance assessment of dual material gate dielectric modulated nanowire junctionless MOSFET for ultrasensitive detection of biomolecules," RSC Advances, vol. 6, no. 92, pp. 89185-89191, Sept. 2016.
