Negli ultimi anni, i transistor a effetto di campo (FET) sono stati sempre più utilizzati come piattaforma di rilevamento per una moltitudine di applicazioni elettrochimiche e biologiche.
Questi dispositivi sono trasduttori bioelettronici promettenti, che consentono sia il funzionamento a basso potenziale sia misure potenziometriche stabili. Oggigiorno, nella comunità scientifica, i FET sono considerati un'alternativa allettante ai sistemi di rilevamento elettrochimici convenzionali.
In questa Application Note si forniscono istruzioni dettagliate su come utilizzare i dispositivi con bipotenziostato DropSens Metrohm per la caratterizzazione dei FET e il loro utilizzo come trasduttori. Un singolo dispositivo μStat-i 400, un piccolo e portatile bipotenziostato e galvanostato, viene utilizzato per dimostrare i seguenti esperimenti.
Quando i transistor a effetto di campo (FET) sono adeguatamente funzionalizzati con elementi di bioriconoscimento appropriati come anticorpi o enzimi, è dimostrato che offrono una piattaforma unica per la trasduzione in tempo reale, specifica e senza etichetta di eventi biochimici. Ad esempio, i FET adeguatamente funzionalizzati possono rilevare la presenza di gas, ioni e virus e persino monitorare la crescita cellulare in tempo reale.
Questi biosensori basati su FET funzionano con un campo elettrico che modula i portatori di carica attraverso un materiale semiconduttore. Tali biosensori possono convertire direttamente specifiche interazioni biologiche direttamente in segnali elettrici senza la necessità di un'etichetta elettroattiva.
Metrohm DropSens μStat-i 400 è stato utilizzato allo scopo di mostrare come collegare gli accessori ed eseguire esperimenti con i FET. Questo strumento è un bipotenziometro e galvanostato portatile che può funzionare in modalità wireless o essere collegato a un computer tramite cavo USB. Lo strumento è controllato dal software DropView 8400, un software intuitivo dedicato e di facile utilizzo che consente agli utenti di eseguire misurazioni elettrochimiche e visualizzare il segnale grafico ottenuto in tempo reale.
Metrohm DropSens offre anche AUFET30 (Figura 1a), un trasduttore elettrochimico d'oro fissato su un substrato di plastica. Questa piattaforma è progettata in una disposizione complanare che integra tutti gli elettrodi (canale di drenaggio-sorgente e gate) in un unico pezzo per la facile fabbricazione di FET. Questa configurazione garantisce sempre la stessa distanza di separazione tra gli elettrodi e fornisce una facile modifica del canale con il materiale semiconduttore. Il canale drain-source è un sistema interdigitato di sei bande in ciascun elettrodo. La larghezza dello spazio tra le bande è di 30 μm, mentre la lunghezza delle bande è di 270 μm. L'elettrodo di gate è un elettrodo quadrato (9 mm2 ) ed è posizionato a 2 mm dal canale drain-source.
Il connettore dedicato BIDSCET (Figura 1b) è stato progettato per AUFET30 per connettersi facilmente a qualsiasi strumento. Qui, AUFET30 è mostrato nello slot situato sul lato anteriore di questo connettore, mentre nella parte posteriore sono presenti quattro connettori a banana femmina che corrispondono ai colori dei connettori a banana maschio dei cavi forniti per un'installazione intuitiva.
Collegamento FET
Un connettore per cavo I-BICABSTAT è incluso con il bipotenziometro / galvanostato μStat-i 400. Questo cavo ha 5 connettori a banana maschio etichettati come descritto in figura 2.
Per eseguire esperimenti con FET, vengono descritte diverse disposizioni di connessione a seconda dell'applicazione sperimentale desiderata.
Collegamento per la caratterizzazione FET
Durante la caratterizzazione FET, la corrente drain-source (Ids) è comunemente valutata mediante la tensione drain-source (Vds) a diversi gradini della tensione gate-source (VGS). Pertanto, la disposizione dei collegamenti è la seguente:
- Il connettore a banana XWE2 (giallo) è collegato all'elettrodo di gate.
- I connettori a banana R (blu) e A (nero) sono collegati all'elettrodo sorgente.
- I connettori a banana WE1 (rosso) e S (rosso) sono collegati all'elettrodo di drenaggio.
Una volta effettuati i collegamenti, seleziona la tecnica LSV+AD nel software DropView 8400. I parametri dell'esperimento possono essere impostati nelle finestre dei parametri del software.
- Inizio: valore iniziale per Vds
- Fine: Valore finale per Vds
- E2: Tensione di gate VGS
Per effettuare la caratterizzazione, diversi LSV+AD gli esperimenti vengono eseguiti variando VGS. Durante l'esperimento l'area di visualizzazione grafica traccia due curve contemporaneamente: una blu corrispondente a Ids contro Vds e uno rosso corrispondente a IG contro Vds. Dopo aver eseguito i diversi esperimenti LSV+AD, l'area di visualizzazione grafica mostra una trama simile a quella in Figura 3.
Le linee blu mostrano la relazione lineare tra Ids e Vds ottenuto a diverso VGS da -0,40 V a +0,40 V. La dipendenza lineare per il dispositivo valutato conferma che il contatto ohmico è mantenuto tra gli elettrodi d'oro del canale drain-source e il film semiconduttore sottostante.
Collegamento per curve di trasferimento IV: sweep gate-source applicando una tensione fissa nel canale drain-source
Per ottenere le tipiche curve di trasferimento, la corrente drain-source (Ids) è registrata a tensione fissa mentre VGS è spazzato. Dopo la caratterizzazione (Figura 3), una grande variazione nei valori Ids possono essere osservati a seconda del V applicatoGS ad un Vds di +0,40 V. Per questo motivo, questo Vds valore (+0,40 V) è stato selezionato per eseguire il seguente esperimento sulle curve di trasferimento. La procedura operativa è molto simile alla descrizione precedente, ma i collegamenti devono essere effettuati come di seguito descritto.
La procedura operativa è molto simile alla descrizione precedente, ma i collegamenti devono essere effettuati come di seguito descritto.
- I connettori a banana WE1 (rosso) e S (rosso) sono collegati a cancello elettrodo.
- I connettori a banana R (blu) e A (nero) sono collegati a fonte elettrodo.
- Il connettore a banana XWE2 (giallo) è collegato al drenare elettrodo.
Una volta effettuati i collegamenti, selezionare il LSV+AD tecnica nel software DropView 8400. I parametri dell'esperimento possono essere impostati nelle finestre dei parametri del software.
- Inizio: valore iniziale per VGS
- Fine: valore finale per VGS
- E2: tensione drain-source
Dopo aver avviato l'esperimento, l'area di visualizzazione grafica mostra due curve contemporaneamente: una rossa corrispondente alla curva di trasferimento denominata IV (Ids contro VGS), e uno blu relativo alla corrente di dispersione (IGS contro VGS) (Figura 4).
Collegamento per misure continue
Per alcune applicazioni è necessario eseguire misure in modalità continua, perché una volta selezionati i parametri ottimali viene applicata una tensione fissa tra gate e source e un'altra tensione fissa viene applicata anche al drain. In questo caso il setup operativo è lo stesso utilizzato per le curve di trasferimento. Tuttavia, in questa situazione viene utilizzata una tecnica diversa. Rilevamento amperometrico è selezionato nel software DropView 8400. Nelle finestre parametri del software, selezionare «2» come numero di canali (Figura 5a). Successivamente, fare clic sulla scheda del parametro Multicanale all'interno della finestra dei parametri (Figura 5b), quindi impostare la tensione gate-source nel canale 1 e la tensione drain-source nel canale 2. Dopo aver avviato l'esperimento, l'area di visualizzazione grafica mostrerà due curve, una rossa e una blu relative a Ids contro tempo ed ioGS contro tempo, rispettivamente.
I bipotenziostati Metrohm DropSens consentono agli utenti di visualizzare simultaneamente le correnti gate-source e drainsource in un'unica figura, il che significa che la curva di trasferimento IV e la corrente di dispersione possono essere ottenute per ogni esperimento. Lo stesso protocollo scritto in questa nota applicativa può essere seguito con μStat 400.
Inoltre, AUFET30 è un trasduttore elettrochimico per il facile sviluppo di FET. Insieme al connettore dedicato BIDSCFET, facilita l'adattamento a qualsiasi bipotenziostato per eseguire misurazioni affidabili con una sensibilità maggiore rispetto alle configurazioni convenzionali di celle elettrochimiche a tre elettrodi.
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