Name: Fabricación de un transistor de una pieza basado en óxido de indio y estaño activado por solución que permite una biodetección sensible (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-08-29T14:40:00.000+00:00
Duration: 10 min 45 s
Description: Aprende a fabricar un transistor ISFET de una pieza basado en ITO mediante grabado selectivo para biosensores de pH de alta sensibilidad. Este método rápido integra todos los componentes sin interfaces, mejorando el rendimiento del dispositivo.

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Se propuso un transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) activado por solución para detectar iones en entornos biológicos1. En este dispositivo, una solución de electrolito induce el potencial interfacial entre la solución y el aislante de la puerta en lugar de una puerta metálica en un transistor de semiconductor de óxido metálico (MOS), aunque es esencial utilizar un electrodo de referencia en la solución. Un aislante de compuerta se compone principalmente de membranas de óxido o nitruro como Ta2O5, Al2O3, SiO2 y Si3N4; por lo tanto, los grupos hidroxilo en la superficie de óxido o nitruro en una solución alcanzan el estado de equilibrio con iones de hidrógeno a través de la protonación (−OH + H +<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/68755/68755eq1.jpg" style="margin: auto;"> −OH2+) y la desprotonación (−OH <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/68755/68755eq1.jpg" style="margin: auto;">−O- + H +) porque el cambio en el pH se detecta a partir del cambio en la carga superficial sobre la base del principio del efecto de campo 2,3 (Figura complementaria 1). Esta es la razón por la que el sensor ISFET original todavía se utiliza como sensor de pH. Dichos sensores ISFET tienen principalmente un sustrato de silicio, pero recientemente se han aplicado varios materiales semiconductores a los sensores ISFET sensibles al pH, que requieren que el aislante de la puerta o la superficie del canal en contacto con la solución electrolítica esté cubierto por grupos funcionales como grupos hidroxi, grupos carboxi y grupos amino 4,5,6,7,8,9.
Este ISFET activado por solución, cuyo aislante de puerta o superficie de canal se modifica con receptores biológica o químicamente activos, se ha aplicado a biosensores portátiles, que pueden integrarse en algunos dispositivos electrónicos 10,11,12. Este FET de puerta (canal) biológicamente acoplado, a menudo llamado bio-FET, debe realizar biodetección cuantitativa y selectiva mediante la detección de cargas de biomoléculas o iones incluidos en los fluidos corporales. Además, recientemente se han utilizado varios materiales de baja dimensión para mejorar la sensibilidad de los bio-FET, como MoS2, WSe213,14, grafeno15,16 y nanocables de Si17,18. Sin embargo, la complejidad asociada con la estructura y los procesos de fabricación ha obstaculizado el uso generalizado de bio-FET de baja dimensión, ya que generalmente requieren materiales dispares para el canal, los electrodos de fuente / drenaje y la película aislante de la puerta.
Nuestro trabajo anterior reveló que una hoja de una sola pieza de óxido de indio y estaño (ITO) puede funcionar como un bio-FET bidimensional (2D) sobre la base del hecho de que ITO, que es un óxido conductor, se vuelve semiconductor cuando su espesor es tan pequeño como ~ 20 nm 19,20,21,22. Al grabar la parte media de una película delgada simple de ITO conductora con una solución ácida para hacerla ultradelgada, lo que permite la fabricación de la ITO de una sola pieza con un canal semiconductor, los electrodos de fuente y drenaje y el canal sin interfaces pueden integrarse completamente21,22. Luego, la superficie del canal ITO se empapa en soluciones de muestra con un electrodo de referencia, funcionalizando así como un ITO-ISFET dependiente de solución. El ITO-ISFET de una pieza activado por solución muestra una pendiente subumbral (SS) más pronunciada, que se atribuye principalmente al contacto directo de la superficie del canal ITO con una solución de muestra, en comparación con un ISFET convencional basado en silicio activado por solución (Figura complementaria 1B). Esto significa que una capacitancia eléctrica de doble capa relativamente grande en la interfaz de canal/solución ITO actúa como un factor dominante que determina SS 19,20,21,22. Además, el ITO-ISFET de una pieza activado por solución muestra una capacidad de respuesta al pH de acuerdo con una relación química termodinámica (es decir, la ecuación de Nernst)4,19,21. La superficie del canal ITO, que está en contacto con una solución acuosa, tiene convenientemente grupos hidroxi que mantienen un estado de equilibrio con iones de hidrógeno con cargas positivas, dependiendo del pH, de la misma manera que otras membranas de óxido o nitruro 2,3. Además, al funcionalizar el ITO-ISFET de una pieza activado por solución, fue posible detectar biomoléculas como virus y moléculas de ADN20,22.
Este artículo describe una forma simple y rápida de fabricar un ITO-ISFET de una pieza con solución para biodetección. En particular, simplemente se utilizan procesos de fotolitografía y grabado para la fabricación, y luego se agrega una solución de electrolito a la superficie del canal ITO con un electrodo de referencia; es decir, una solución de muestra sirve como electrodo de puerta de solución. Por lo tanto, el ITO-ISFET de una pieza activado por solución funciona como un sensor de pH obtenido por el proceso de fabricación que toma solo medio día.

<table><tbody><tr><td>HCl de 1M</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>083-01095</td><td></td></tr><tr><td>2-propanol</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>166-04831</td><td></td></tr><tr><td>Acetona</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>019-00353</td><td></td></tr><tr><td>Alambre Ag</td><td>La Corporación Nilaco Corp.</td><td>AG-401385</td><td></td></tr><tr><td>Agar-agar</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>010-15815</td><td></td></tr><tr><td>Solución tampón estándar (solución equimolal estándar de pH fosfato) pH 6.86 (25 grados C)</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>025-03195</td><td></td></tr><tr><td>Solución tampón estándar (solución estándar de pH de ftalatos) pH 4.01 (25 grados C)</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>028-03185</td><td></td></tr><tr><td>Solución tampón estándar (solución estándar de pH de tetraborato) pH 9.18 (25 grados C)</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>028-03205</td><td></td></tr><tr><td>Cinta de carbono</td><td>Nisshin-EM</td><td>7321</td><td></td></tr><tr><td>Analizador electroquímico</td><td>Instrumento BAS</td><td>618 E</td><td></td></tr><tr><td>Mascarilla de película</td><td>UnnoGiken Co., Ltd.</td><td></td><td>Hecho a medida</td></tr><tr><td>Placa calefactora</td><td>Como una corporación.</td><td>ND-1</td><td></td></tr><tr><td>Metanol</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>137-01823</td><td></td></tr><tr><td>Micro cubierta de vidrio</td><td>Matsunami Glass Ind., Ltd</td><td>12&veces; 24 No.5</td><td>para sustrato de vidrio</td></tr><tr><td>Micropipeta</td><td>Eppendorf SE</td><td>3123000055</td><td></td></tr><tr><td>NMD-3</td><td>Tokio Ohka Kogyo Co., Ltd.</td><td>NMD-3</td><td></td></tr><tr><td>OFPR-800</td><td>Tokio Ohka Kogyo Co., Ltd.</td><td>OFPR-800</td><td></td></tr><tr><td>Solución estándar de pH de fosfato</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>166-17445</td><td></td></tr><tr><td>Máquina de fotolitografía</td><td>Neutronix Quintel</td><td>PhL Q-2001CT</td><td></td></tr><tr><td>Clotio de potasio</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>163-03545</td><td></td></tr><tr><td>Analizador de parámetros de dispositivos semiconductores</td><td>Visión clave</td><td>B1500A</td><td>Softwere Verion: Rev 5 y 6</td></tr><tr><td>Analizador de parámetros de dispositivos semiconductores Unidades de medida de fuente</td><td>Visión clave</td><td>B1517A</td><td>para fuente, drenaje y compuerta&nbsp; &nbsp;</td></tr><tr><td>Dispositivo de prueba de analizador de parámetros de dispositivos semiconductores</td><td>Visión clave</td><td>B1500A Opt A5F</td><td></td></tr><tr><td>Junta tórica de Siliconce</td><td>MasuokaTokyo Co., Ltd.</td><td>P-5</td><td></td></tr><tr><td>Recubrimiento por centrifugación</td><td>MIKASA Co., Ltd</td><td>MS-A100</td><td></td></tr><tr><td>Máquina de pulverización catódica</td><td>ULVAC Inc.</td><td></td><td>Hecho a medida</td></tr><tr><td>SU-8 3005</td><td>Nippon Kayaku Co., Ltd.</td><td>SU8-3005</td><td></td></tr><tr><td>Desarrollador SU-8</td><td>Nippon Kayaku Co., Ltd.</td><td>Desarrollador SU-8</td><td></td></tr><tr><td>Baño de ultrasonidos</td><td>SND Co., Ltd.</td><td>US-102</td><td></td></tr><tr><td>Interferómetro de luz blanca</td><td>KEYENCE Corp.</td><td>VK-X3000</td><td></td></tr></tbody></table>

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