Súčasný prístup v biomedicínskej diagnostike, využíva najmä elektrické senzory, ako napríklad elektrochemické senzory pozostávajúce z pasívnych kovových elektród s povrchovou úpravou, u ktorých je princíp fungovania založený na redoxných reakciách – zmenách lokálneho potenciálu alebo impedancie. V prípade takýchto, dá sa povedať pasívnych senzorov, je často náročné zaznamenať biologické signály, pričom tie si vyžadujú si ďalšie zosilnenie, aby ich bolo možné detegovať. Keďže je zosilnenie signálu zo senzora kľúčové, ako vhodné riešenie na prekonanie týchto obmedzení, bolo predstavené priame využitie tranzistorov ako senzorov.
Kremík, ako najpoužívanejší polovodičový materiál, je dnes neodmysliteľnou súčasťou všetkých elektronických zariadení a najmodernejšej elektroniky, v mnohých aplikačných oblastiach. Jeho využitie pre aplikácie biosnímania je však veľmi limitované, nakoľko sú extrémne odlišné. Nevyhnutnými podmienkami sú vysoká citlivosť, vysoká selektivita a vysoká biokompatibilita. Aj keď je vyvíjané veľké úsilie v oblasti výskumu zariadení na báze kremíka citlivých na ióny, biokompatibilita a imobilizácia molekulárnej rozpoznávacej vrstvy na kremíkových povrchoch stále predstavujú významné prekážky pre biosenzory na báze kremíka.
Veda a inžinierstvo sú najčastejšie inšpirované samotnou prírodou. Preto cesta za najmodernejšími technológiami znamená ísť za hranice kremíka. Ideálna cesta za biokompatibilnými elektronickými zariadeniami, zahŕňa výrobu organických materiálov pochádzajúcich z prírody. Materiálová veda a výskum v elektronike sa preto v poslednom čase zameriavajú na alternatívne materiály, označované ako organické polovodiče. Organické polovodiče sú širokou skupinou organických molekulárnych materiálov, ktoré vykazujú špecifické elektronické vlastnosti podobné anorganickým polovodičom. Je zaujímavé, že tieto molekulárne materiály vykazujú len slabé pôsobenie sily medzi molekulami, čo dáva príležitosť pre nové nízkonákladové metódy nanášania, ako je napríklad technika atramentovej tlače. Technológia organickej elektroniky sľubuje nielen lacné zariadenia, ale aj ďalšie veľké výhody, ako je biokompatibilita. Pretože organické molekuly môžu vykazovať priaznivú interakciu s inými organickými molekulami, organické elektronické zariadenia sa považujú za sľubného kandidáta na „svätý grál“ bioelektroniky a biokompatibilnej elektroniky. Organické polovodiče teda nepredstavujú len alternatívne polovodičové materiály, ale sú aj zaujímavou výzvou pre elektroniku a fyziku zariadení. Tu je potrebné poznamenať, že aj keď sú zložité obvody založené na organických tranzistoroch stále vo vývoji a nedosahujú úroveň pre ich priemyselné uplatnenie, je už možná aj výroba diskrétnych elektronických zariadení.
Bolo navrhnutých viacero prístupov, na využitie organických poľom riadených tranzistorov (Organic Field Effect Transistor – OFET), ako senzory pre biomedicínsku diagnostiku, ktoré sú znázornené na obr. 1. Jednou z najbežnejších architektúr biosenzorov na báze OFET, je iónovo selektívny OFET (ISOFET): hradlová elektróda a dielektrická vrstva v tomto prípade nie sú v priamom kontakte, ale sú oddelené roztokom elektrolytu, ktorý obsahuje analyt. V ISOFET štruktúre, referenčná elektróda plní účel hradlovej elektródy, ktorá je ponorená do elektrolytu. Aj keď takýto prvok vykazuje primerané snímacie vlastnosti, depozícia izolačnej vrstvy na vrstvu organického polovodiča, stále predstavuje technologickú prekážku a komplikuje výrobu prvkov. Podobne zaujímavý prístup je aplikovaný v senzoroch EGOFET (Electrolyte-Gated Organic Field-Effect Transistor), kde je dielektrikum úplne nahradené elektrolytom, a referenčná elektróda slúži ako hradlo. Náhrada dielektrika elektrolytom znižuje napätie potrebné na prevádzku OFET. Pracovný princíp EGOFETu je založený na vytvorení Helmholtzovej dvojvrstvy na rozhraní elektrolyt/organický polovodič a na rozhraní elektrolyt/hradlo. Aj keď nekomplikovaná geometria zariadenia uľahčuje výrobu, difúzia elektrolytu do organickej polovodičovej vrstvy spôsobuje, že senzory sú nestabilné. Okrem toho úprava povrchu vrstvy organických polovodičov špecifickými molekulami je stále veľkou výzvou; preto je zlepšenie selektivity takýchto zariadení zložité. Tieto technologické prekážky je možné obísť využitím architektúry s predĺženým hradlom, kde je analyt s referenčnou elektródou oddelený od organického polovodiča. Geometria takéhoto prvku bola optimalizovaná v štruktúre známej ako organický nábojom-modulovaný poľom riadený tranzistor – OCM-FET (Organic Charge-Modulated Field-Effect Transistor). V tejto štruktúre má elektróda – tzv. plávajúce hradlo, predĺžený tvar a je čiastočne pokrytá dielektrickou vrstvou; vďaka čomu sú tu priestorovo oddelené OFET, riadiaci kondenzátor a senzorická časť vystavená analytu. Náboj imobilizovaný v tejto oblasti generuje elektrické pole, ktoré indukuje oddelenie náboja na plávajúcom hradle; tento náboj spôsobuje posun prahového napätia. Treba poznamenať, že geometria takéhoto senzora nevyžaduje organické polovodiče odolné voči okolitému prostrediu, komplikované nanášanie izolačnej vrstvy na polovodič, ani samostatnú referenčnú elektródu. OCM-FET senzory boli úspešne opísané s použitím imobilizovaných molekúl DNA, ktoré slúžia ako receptory a zabezpečujú dobrú selektivitu senzorov [1-5].
Obrázok 1: Architektúra organického tranzistora pre senzorické aplikácie. (a) Iónovo selektívny OFET, (b) EGOFET (alebo organický elektrochemický tranzistor, ak sa ako aktívna vrstva používa vodivý polymer, (c) OFET s predĺženým hradlom (d) organický nábojom-modulovaný poľom riadený tranzistor – OCM-FET.
Imobilizácia receptorových molekúl na povrchu OFET senzorov bola navrhnutá v niekoľkých prístupoch, ako sú: receptory fyzicky absorbované na polovodičovej vrstve [6], aplikácia väzbových miest premosťujúcich receptory a organický polovodič [7] a imobilizované receptory na dielektrickej vrstve hradla [8] alebo na predĺženom hradle [1]. Vyrobené senzory môžu slúžiť na detekciu rôznych biomarkerov v závislosti od naviazaných receptorových molekúl. Ako príklad môžeme uviesť využitie takýchto senzorov na detekciu biomarkeru PSA – prostatický špecifický antigén. Aj keď sa hladina PSA mení s vekom, odporúča sa každoročné meranie sérových hladín PSA u mužov s hodnotami PSA nad 1 ng/ml [9]. Muži bez rakoviny prostaty majú zvyčajne hladiny PSA pod 4 ng/ml, zatiaľ čo muži s rakovinou prostaty majú hladiny PSA nad 20 ng/ml. Tabuľka 1 ilustruje možnosti zariadení na báze organických tranzistorov pri detekcii PSA. Tu je potrebné poznamenať, že štandardné komerčne dostupné testy zvyčajne vyžadujú 1-2 hodiny na samotné vyhodnotenie, zatiaľ čo tranzistorové snímacie systémy poskytujú výsledky v rozsahu niekoľkých sekúnd. Je zrejmé, že senzory na báze organických tranzistorov majú detekčný limit výrazne nižší ako komerčne dostupné metódy, s nízkou závislosťou od použitého polovodičového materiálu. Inými slovami, senzory založené na OFET sú schopné poskytnúť včasnú diagnostiku biomarkerov súvisiacich s rakovinou.
Tabuľka 1: Zoznam vybraných senzorických zariadení na báze tranzistorov na detekciu PSA a štandardných komerčne dostupných metód
| Štruktúra | Aktívny materiál | Detekčný limit (pg/mL) | Referencia |
| OECT | PEDOT:PSS | 1 | [10] |
| FET | rGO | 0.1 | [11] |
| FET | MoS2 | 1 | [12] |
| FET | SiNW | 0.1 | [13] |
| f-PSA ELISA Kit Protocol (Phoenix Pharmaceuticals) | 100 | [14] |
Referencie:
[1] Demelas M, Lai S, Casula G, Scavetta E, Barbaro M, Bonfiglio A. An organic, charge-modulated field effect transistor for DNA detection. Sensors and Actuators B: Chemical. 2012 Aug 1;171:198-203.
[2] Lai S, Demelas M, Casula G, Cosseddu P, Barbaro M, Bonfiglio A. Ultralow voltage, OTFT‐based sensor for label‐free DNA detection. Advanced Materials. 2013 Jan 4;25(1):103-7.
[3] White SP, Dorfman KD, Frisbie CD. Label-free DNA sensing platform with low-voltage electrolyte-gated transistors. Analytical chemistry. 2015 Feb 3;87(3):1861-6.
[4] Demelas M, Lai S, Spanu A, Martinoia S, Cosseddu P, Barbaro M, Bonfiglio A. Charge sensing by organic charge-modulated field effect transistors: Application to the detection of bio-related effects. Journal of Materials Chemistry B. 2013;1(31):3811-9.
[5] Napoli C, Lai S, Giannetti A, Tombelli S, Baldini F, Barbaro M, Bonfiglio A. Electronic Detection of DNA Hybridization by Coupling Organic Field-Effect Transistor-Based Sensors and Hairpin-Shaped Probes. Sensors. 2018 Apr;18(4):990.
[6] Zhang Q, Subramanian V. DNA hybridization detection with organic thin film transistors: Toward fast and disposable DNA microarray chips. Biosensors and Bioelectronics. 2007 Jun 15;22(12):3182-7.
[7] Khan HU, Jang J, Kim JJ, Knoll W. In situ antibody detection and charge discrimination using aqueous stable pentacene transistor biosensors. Journal of the American Chemical Society. 2011 Feb 23;133(7):2170-6.
[8] Bartic C, Campitelli A, Borghs S. Field-effect detection of chemical species with hybrid organic/inorganic transistors. Applied Physics Letters. 2003 Jan 20;82(3):475-7.
[9] Thompson IM, Ankerst DP, Chi C, Lucia MS, Goodman PJ, Crowley JJ, Parnes HL, Coltman CA. Operating characteristics of prostate-specific antigen in men with an initial PSA level of 3.0 ng/ml or lower. Jama. 2005 Jul 6;294(1):66-70.
[10] Kim DJ, Lee NE, Park JS, Park IJ, Kim JG, Cho HJ. Organic electrochemical transistor based immunosensor for prostate specific antigen (PSA) detection using gold nanoparticles for signal amplification. Biosensors and Bioelectronics. 2010 Jul 15;25(11):2477-82.
[11] Kim DJ, Sohn IY, Jung JH, Yoon OJ, Lee NE, Park JS. Reduced graphene oxide field-effect transistor for label-free femtomolar protein detection. Biosensors and bioelectronics. 2013 Mar 15;41:621-6.
[12] Lee J, Dak P, Lee Y, Park H, Choi W, Alam MA, Kim S. Two-dimensional layered MoS 2 biosensors enable highly sensitive detection of biomolecules. Scientific reports. 2014 Dec 17;4(1):1-7.
[13] Lu N, Gao A, Dai P, Mao H, Zuo X, Fan C, Wang Y, Li T. Ultrasensitive detection of dual cancer biomarkers with integrated CMOS-compatible nanowire arrays. Analytical chemistry. 2015 Nov 17;87(22):11203-8.
[14] Najeeb MA, Ahmad Z, Shakoor RA, Mohamed AM, Kahraman R. A novel classification of prostate specific antigen (PSA) biosensors based on transducing elements. Talanta. 2017 Jun 1;168:52-61.