Biotransistor

Biotransistor (ka bioloogiline väljatransistor, BioFET, Bio-FET) on seade, mis sisaldab väljatransistori (field-effect transistor, FET) ja sellega seotud bioloogilist signaali ära tundvat sensorit (biosensor). See on kombinatsioon bio- ja elektrokeemiast, tahkiste füüsikast ning pinnakeemiast.

Iseloomustus

Enamasti interakteerub biotransistorides bioloogiline materjal ISFET-tüüpi transistoriga (ioonselektiivne väljatransistor, reageerib ioonide kontsentratsioonile). ISFET töötab kui isoleeritud paisuga väljatransistor (IGFET), kus metallpaisu asemel on ioonidele tundlik membraan koos elektrolüüdi lahuse ja referentselektroodiga. Keskendume ISFET-tüüpi biotransistoridele, kuigi tänapäeval on juba välja arendatud ka uusi tehnoloogiaid, näiteks nanomõõtmetes grafeemil põhinev FET-süsteem (GFET), mida on kasutatud elusas rakupopulatsioonis pH mõõtmiseks.

ImmunoFET (antikeha-antigeeninteraktsioonil põhinev BioFET)

Antikeha-antigeeninteraktsioon on väga spetsiifline ja seepärast huvipakkuv ka biotransistoride tootmisel.
ImmunoFET-i puhul on transistori paisuga seostatud huvipakkuvad antikehad või antigeenid. ImmunoFET-i teoreetiline mudel põhineb elektriliselt laetud molekulide seondumisega tekkiva laengumuutuse mõõtmisel, kui ISFET-i pinnal tekib antikeha-antigeenkompleks. Paraku nõuab selliste interaktsioonide jälgimine ideaaltingimusi ja on seega osutunud praktikas teostamatuks, sest suurte molekulide elektrilaengud jäävad paisust liiga kaugele ja registreerimist vajavaid laenguid varjestavad lahuseioonid.
Edasiarendus oleks mitte kasutada immunoFET-i puhul pinge ega voolutugevuse muutust, vaid hoopis impedantsspektroskoopiat, sest valkude seondumine mõjutab vahelduvvoolu karakteristikuid. Antikeha-antigeeninteraktsioonil põhinevaid ImmunoFET-e alles arendatakse.

DNA-FET (GenFET)

Tänapäeval on DNA molekulide detekteerimiseks olemas palju võimekaid süsteeme, mis põhinevad kas hübridisatsioonil (DNA-mikrokiiptehnoloogia) või erinevatel sekveneerimismeetoditel (meetodeid eristatakse tööprintsiibi järgi: DNA ahela terminatsioonil põhinevad, üht molekuli matriitsina kasutavad või otse DNA molekulilt infot lugevad meetodid). Lisaks kirjeldatutele on võimalik FET-i baasil ehitada nn genosensoreid, mida saab kasutada DNA või RNA järjestuste ülikiireks tuvastamiseks.
DNA hübridisatsioon põhineb protsessil, kus uuritav järjestus (nt lahuses olev üheahelaline DNA (ssDNA, single-strand DNA) seostub kandjale fikseeritud komplementaarse üheahelalise järjestusega, moodustades kaheahelalise DNA (dsDNA, double-strand DNA) ainult seal, kus leiduvad sobivad paarilised. DNA-l põhinevad ISFET-id registreerivad paisupinge muutuse, mis tuleneb pinnalaengu muutumisest hübridisatsioonil, sest DNA on laetud makromolekul.
Kuigi DNA-FET-i juures võivad esineda samad probleemid mis immunoFET-i puhul, kus laengud varjestatakse lahuses olevate ioonide tõttu, sobib DNA sellisteks mõõtmisteks paremini, sest DNA on korrapärane molekul, mis on negatiivselt laetud, ja DNA-FET, mis on positiivse pinnalaenguga, soodustab molekulide omavahelist seondumist.

Raku potentsiaalil põhinev CPFET (cell-potential BioFET), Cell-FET ja raku BioFET

Raku ja transistori hübriid saadakse, kui rakk katab FET-i paisuisolaatori.
CPFET-e saab kasutada nii raku enda metabolismi signaalide mõõtmiseks kui ka rakuvälise potentsiaali tuvastamiseks.
Rakkudel põhinevate biotransistoride arendamine on suure potentsiaaliga, sest nii saab uurida rakkude elutegevust in situ, mis on vajalik, kuna elusorganismi mikrostruktuurides toimuvad kemikaalide kontsentratsiooni muutused kontrollitud protsessidena, on üksteisega tihedalt seotud ning informatsioon otse sündmuspaigalt annab väärtuslikku kvalitatiivset ja kvantitatiivset infot näiteks kliinilises diagnostikas, toksikoloogias, farmakoloogias ja elukeskkonnauuringutes.
CPFET-e ehk raku potentsiaali mõõtvaid FET-e on kasutatud registreerimaks lihaste ja närvisüsteemi toimimisel tekkivat elektrilist informatsiooni.
Rakkudega seondumisel põhinevat FET-i meetodit on kasutatud ka hiireembrüote hindamisel, mis võib tulevikus tagada efektiivsema preimplantatsioonilise embrüoselektsiooni ka inimeste viljatusravis.

Organil/organismil põhinev FET ("Beetle/chip" FET)

Kui transistoriga seostatakse terve organism või mõni tema organ, näiteks putuka tundel, saadakse väga võimekas ja suure rakendusliku potentsiaaliga biotransistor.
Näiteks on loodud BioFET, kasutades putukate ülisuurt lõhnatundlikkust ja ühendades putuka tundel FET-iga. Kui tundel reageerib kindlale lõhnale, genereeritakse pinge, mille FET registreerib. Putuka tundlates reageerivad lõhnadele retseptoorsed neuronid ja lõhna ära tundmine initsieeritakse närvirakkude membraanides, misjärel lõhna kontsentratsioonist sõltuv pingeimpulss kantakse üle terve tundla, mis põhjustab dipooli tekke ja vastavalt registreeritakse FET neeluvoolu karakteristikuna.
Et sellist biotransistori ehitada, tuleb luua kontaktpind putuka tundla ja FET-i vahel.
Esimeses lahenduses võetakse terve putukas ja kinnitatakse see nii, et tema tundel on elektrolüüdi lahuses, mis on otsekontaktis FET-i paisuisolaatoriga. Referentselektrood, näiteks plaatinajuhe, paigutatakse putuka pea ja kaela vahele.
Teine võimalus on lõigata tundel putuka küljest ja paigutada mõlema otsaga elektrolüüdi lahusesse. Kui õhuvooluga kandub uuritav marker (lõhn, aine) antennile, indutseeritakse depolarisatsioonikoste, mis mõjutab FET-i kanali juhtivust lätte ja neelu vahel ja mis registreeritakse neeluvoolu muutusena.
Siinkirjeldatud lahenduste edasiarenduste abil saab ehitada näiteks varajasi põlengutuvastamise andureid või siis kunstlikke ninasid narkootikumide, lõhkeainete, keskkonnasaaste või riknenud toiduainete tuvastamiseks (nn bioelektrooniline nina).

Biotransistoride tootmine

ISFET-ide tuntumad tootjad on Orion, Beckman, Sentron, Honeywell, Chem-FET Corporation.
Biotransistoride katseeksemplaride ja esimeste funktsionaalsete BioFET-ide tootmine oli varem käsitöö, kuid nüüdseks on arendatud välja tootmistehnoloogiad kiipidele näiteks ensüümide pealekandmiseks, kus kasutatakse valgusega mõjutatavaid polümeere, nagu polüakrüülamiid või polüuretaanakrülaat, Langmuiri-Blodgetti polümeerkilede valmistamise tehnikat ja erinevaid tindiprits- ja mikrokontakt-printimise tehnikaid. Nii saab biotransistore toota automatiseeritult koos ISFET-i tootmisega.
Tootmisprotsessi teeb keerulisemaks see, et kui üldiselt tuleb transistore katta, et nad ei puutuks väliskeskkonnaga kokku, siis biotransistoride tootmisel on oluline jätta analüütidega kokkupuutuvad kontaktpinnad vabaks. Näiteks on võimalik toota EnFET-e, kus katmist vajavate külg- ja tagapindade katmiseks on kasutatud SiO₂, Si₃N₄ ja Ta₂O₅ kilesid.
Biotransistoride edasiarendamine toimub pidevalt koos uute tootmistehnoloogiate väljatöötamisega.

Biotransistoride ajalugu

1970 – Piet Bergveld leiutas ISFET-i. Esimene kontseptsioon, kus ISFET-i abil prooviti mõõta neurofüsioloogilisi parameetreid
1976 – esimene BioFET-i kontseptsioon (EnFET)
1980 – esimene kasutatav EnFET penitsilliini kontsentratsiooni määramiseks
1980 – esimene ImmunoFET-i kontseptsioon
1981 – esimene elusrakkudega ühendatud MOSFET
1991 – esimene CPFET (neuron-transistor)
1997 – esimene organipõhine BioFET (Beetle/chip)
1997 – esimene DNA-hübridiseerumist detekteeriv BioFET
1999 – esimene EnFET glükoosi kontsentratsiooni määramiseks vereseerumist
2001 – oluliselt täiustatud tundlikkusega EnFET glükoosi kontsentratsiooni määramiseks verest
2013 – esimene embrüo jälgimiseks valmistatud BioFET