Name: Fabbricazione di un transistor monopezzo a base di ossido di indio-stagno solution-gated che consente il biorilevamento sensibile (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-08-29T14:40:00.000+00:00
Duration: 10 min 45 s
Description: Scopri la fabbricazione di un transistor ISFET monopezzo a base di ossido di indio-stagno per il biorilevamento sensibile. Questo metodo rapido integra sorgente, drain e canale in un'unica struttura ITO, migliorando le prestazioni del dispositivo per il rilevamento del pH.

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<ol><li>Sakata, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biologically+coupled+gate+field-effect+transistors+meet+in+vitro+diagnostics%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Omega%22%5BJournal%5D)">Biologically coupled gate field-effect transistors meet in vitro diagnostics.</a> ACS Omega. 4 (7), 11852-11862 (2019).</li>
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<li>Nishimura, A., Katayama, R., Sakata, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+surface+oxygen+vacancies+and+hydroxy+groups+on+electrical+characteristics+in+solution-gated+one-piece+indium-tin-oxide-based+field-effect+transistors%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Effects of surface oxygen vacancies and hydroxy groups on electrical characteristics in solution-gated one-piece indium-tin-oxide-based field-effect transistors.</a> Langmuir. 41 (1), 607-613 (2025).</li>
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È stato proposto un transistor a effetto di campo sensibile agli ioni (ISFET) solution-gated per la rilevazione di ioni in ambienti biologici1. In questo dispositivo, una soluzione elettrolitica induce il potenziale interfacciale tra la soluzione e l'isolante del gate invece di un gate metallico in un transistor a semiconduttore di ossido di metallo (MOS), anche se è essenziale utilizzare un elettrodo di riferimento nella soluzione. Un isolante per cancelli è composto principalmente da membrane di ossido o nitruro come Ta2O5, Al2O3, SiO2 e Si3N4; pertanto, i gruppi ossidrilici sulla superficie dell'ossido o del nitruro in una soluzione raggiungono lo stato di equilibrio con gli ioni idrogeno attraverso la protonazione (−OH + H+<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/68755/68755eq1.jpg" style="margin: auto;">−OH2+) e la deprotonazione (−OH <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/68755/68755eq1.jpg" style="margin: auto;">−O- + H+) perché la variazione del pH viene rilevata dalla variazione della carica superficiale sulla base del principio dell'effetto di campo 2,3 (Figura supplementare 1). Questo è il motivo per cui il sensore ISFET originale è ancora utilizzato come sensore di pH. Tali sensori ISFET hanno per lo più un substrato di silicio, ma vari materiali semiconduttori sono stati recentemente applicati ai sensori ISFET sensibili al pH, che richiedono che l'isolante del gate o la superficie del canale a contatto con la soluzione elettrolitica siano coperti da gruppi funzionali come gruppi idrossilati, gruppi carbossilici e gruppi amminici 4,5,6,7,8,9.
Tale ISFET solution-gated, il cui isolante di gate o la superficie del canale è modificata con recettori biologicamente o chimicamente attivi, è stato applicato a biosensori portatili, che possono essere integrati in alcuni dispositivi elettronici 10,11,12. Questo FET a gate (canale) biologicamente accoppiato, spesso chiamato bio-FET, deve realizzare il biorilevamento quantitativo e selettivo rilevando le cariche di biomolecole o ioni inclusi nei fluidi corporei. Inoltre, vari materiali a bassa dimensionalità sono stati recentemente utilizzati per migliorare la sensibilità dei bio-FET, come MoS2, WSe213,14, grafene15,16 e nanofili Si17,18. Tuttavia, la complessità associata alla struttura e ai processi di fabbricazione ha ostacolato l'uso diffuso di bio-FET a bassa dimensionalità poiché di solito richiedono materiali diversi per il canale, gli elettrodi sorgente/drenaggio e il film isolante del gate.
Il nostro lavoro precedente ha rivelato che un foglio monopezzo di ossido di indio e stagno (ITO) può funzionare come un bio-FET bidimensionale (2D) sulla base del fatto che l'ITO, che è un ossido conduttivo, diventa semiconduttore quando il suo spessore è piccolo come ~20 nm 19,20,21,22. Incidendo la parte centrale di un singolo film sottile ITO conduttivo con una soluzione acida per renderlo ultrasottile, che consente la fabbricazione dell'ITO monopezzo con un canale semiconduttivo, gli elettrodi sorgente e di drenaggio e il canale senza alcuna interfaccia possono essere completamente integrati21,22. Quindi, la superficie del canale ITO viene immersa in soluzioni campione con un elettrodo di riferimento, funzionalizzandosi così come un ITO-ISFET solution-gated. L'ITO-ISFET monoblocco solution-gated mostra una pendenza sottosoglia (SS) più ripida, che è principalmente attribuita al contatto diretto della superficie del canale ITO con una soluzione campione, rispetto a un ISFET convenzionale a base di silicio solution-gated (Figura 1B supplementare). Ciò significa che una capacità elettrica a doppio strato relativamente grande all'interfaccia canale/soluzione ITO agisce come fattore dominante che determina SS 19,20,21,22. Inoltre, l'ITO-ISFET monopezzo solution-gated mostra la reattività del pH in accordo con una relazione termodinamica chimica (cioè l'equazione di Nernst)4,19,21. La superficie del canale ITO, che è a contatto con una soluzione acquosa, ha convenientemente gruppi idrossilati che mantengono uno stato di equilibrio con ioni idrogeno con cariche positive, a seconda del pH, allo stesso modo di altre membrane di ossido o nitruro 2,3. Inoltre, funzionalizzando l'ITO-ISFET monopezzo solution-gated, è stato possibile rilevare biomolecole come virus e molecole di DNA20,22.
Questo articolo descrive un modo semplice e rapido per fabbricare un ITO-ISFET monopezzo solution-gated per il biorilevamento. In particolare, vengono semplicemente utilizzati processi di fotolitografia e incisione per la fabbricazione, quindi viene aggiunta una soluzione elettrolitica alla superficie del canale ITO con un elettrodo di riferimento; Cioè, una soluzione campione funge da elettrodo di gate della soluzione. Pertanto, l'ITO-ISFET monoblocco solution-gated funziona come un sensore di pH ottenuto dal processo di fabbricazione che richiede solo mezza giornata.

<table><tbody><tr><td>1 milione di HCl</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>083-01095</td><td></td></tr><tr><td>2-propanolo</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>166-04831</td><td></td></tr><tr><td>Acetone</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>019-00353</td><td></td></tr><tr><td>Filo agricolo</td><td>La Nilaco Corp.</td><td>AG-401385</td><td></td></tr><tr><td>Agar</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>010-15815</td><td></td></tr><tr><td>Soluzione tampone standard (soluzione equimolale standard pH fosfato) pH6,86 (25 gradi C)</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>025-03195</td><td></td></tr><tr><td>Soluzione tampone standard (soluzione standard pH ftalati) pH4,01 (25 gradi C)</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>028-03185</td><td></td></tr><tr><td>Soluzione tampone standard (tetraborato pH Soluzione standard) pH9,18 (25 gradi C)</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>028-03205</td><td></td></tr><tr><td>Nastro di carbonio</td><td>Nisshin-EM</td><td>7321</td><td></td></tr><tr><td>Analizzatore elettrochimico</td><td>Strumento BAS</td><td>618 E</td><td></td></tr><tr><td>Maschera per film</td><td>UnnoGiken Co., Ltd.</td><td></td><td>Personalizzato</td></tr><tr><td>Piastra riscaldante</td><td>Come One Corp.</td><td>ND-1</td><td></td></tr><tr><td>Metanolo</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>137-01823</td><td></td></tr><tr><td>Vetro di copertura micro</td><td>Matsunami Glass Ind., Ltd</td><td>12&volte; 24 No.5</td><td>per substrato in vetro</td></tr><tr><td>Micropipetta</td><td>Eppendorf SE</td><td>3123000055</td><td></td></tr><tr><td>NMD-3</td><td>Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.</td><td>NMD-3</td><td></td></tr><tr><td>OFPR-800</td><td>Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.</td><td>OFPR-800</td><td></td></tr><tr><td>Soluzione standard di fosfato pH</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>166-17445</td><td></td></tr><tr><td>Macchina per fotolitografia</td><td>Neutronix Quintel</td><td>PhL Q-2001CT</td><td></td></tr><tr><td>Pottasium Chrolide</td><td>FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.</td><td>163-03545</td><td></td></tr><tr><td>Analizzatore di parametri per dispositivi a semiconduttore</td><td>Vista chiave</td><td>B1500A</td><td>Versione SoftWere: Rev 5 e 6</td></tr><tr><td>Analizzatore di parametri per dispositivi a semiconduttore Unità di misura della sorgente</td><td>Vista chiave</td><td>B1517A</td><td>per sorgente, scarico e cancello&nbsp; &nbsp;</td></tr><tr><td>Dispositivo di prova per analizzatore di parametri del dispositivo a semiconduttore</td><td>Vista chiave</td><td>B1500A Opt A5F</td><td></td></tr><tr><td>O-ring in silicone</td><td>MasuokaTokyo Co., Ltd.</td><td>P-5</td><td></td></tr><tr><td>Spin coater</td><td>MIKASA Co., Ltd</td><td>MS-A100</td><td></td></tr><tr><td>Macchina sputtering</td><td>ULVAC Inc.</td><td></td><td>Personalizzato</td></tr><tr><td>SU-8 3005</td><td>Nippon Kayaku Co., Ltd.</td><td>SU8-3005</td><td></td></tr><tr><td>Sviluppatore SU-8</td><td>Nippon Kayaku Co., Ltd.</td><td>Sviluppatore SU-8</td><td></td></tr><tr><td>Bagno ad ultrasuoni</td><td>SND Co., Ltd.</td><td>US-102</td><td></td></tr><tr><td>Interferometro a luce bianca</td><td>KEYENCE Corp.</td><td>VK-X3000</td><td></td></tr></tbody></table>

fabbricazione di un transistor monopezzo a base di ossido di indio-stagno solution-gated che consente il biorilevamento sensibile

Fabrication of a Solution-gated Indium-Tin-Oxide-based One-piece Transistor Enabling Sensitive Biosensing

La Figura 2A mostra la variazione di corrente (IDS0) misurata durante l'incisione. IDS0 è rimasto quasi costante circa 800 s dopo l'inizio dell'incisione. Con ulteriori incisioni, IDS0 iniziò a diminuire rapidamente. Ciò indica che lo spessore del film ITO è diminuito, avvicinandosi allo spessore dello strato di deplezione nel film ITO19; In tal modo, gli elettroni come portatori iniziarono ad essere influenz...

Fabbricazione di un transistor monopezzo a base di ossido di indio-stagno solution-gated che consente il biorilevamento sensibile

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