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近年、多くの電気化学的用および生物学的用途のセンシングプラットフォームとして、電界効果トランジスタ (FET) がより一般的に使用されるようになりました。

これらの装置は、低電位での操作と安定した電位差測定の両方を可能にする有望な生体電子工学変換器です。FETは現在、科学界にて使われる伝統的な電気化学検出システムの魅力的な代替手段と見なされています。

この技術資料では、メトローム DropSensのバイポテンショスタットを使用して、FETの特性評価する方法と、その変換器としての使用について紹介しています。小型でポータブルなバイポテンシオスタット/ガルバノスタット μStat-i 400を使用して、以下の実験を実証します。 

電界効果トランジスタ (FET) が、抗体や酵素などの適切な生体認識要素で適切に機能化されている場合、生化学的イベントのリアルタイム、特異的、およびラベルフリーの変換のための独自のプラットフォームを提供することが示されています。たとえば、適切に機能化された FET は、ガス、イオン、およびウイルスの存在を検出し、リアルタイムで細胞増殖を監視することさえできます。

これらの FET ベースのバイオセンサーは、半導体材料を介して電荷キャリアを変調する電場で動作します。このようなバイオセンサーは、電気活性標識を必要とせずに、特定の生物学的相互作用を電気信号に直接変換できます。 

Metrohm DropSens μStat-i 400 は、アクセサリの接続方法と FET を使用した実験の実行方法を示す目的で使用されました。この機器は、ワイヤレスで動作するか、USB ケーブルでコンピュータに接続できるポータブル バイポテンショスタットおよびガルバノスタットです。この機器は、DropView 8400 ソフトウェアによって制御されます。これは、ユーザーが電気化学測定を実行し、得られたグラフィック信号をリアルタイムで表示できる、専用の使いやすい直感的なソフトウェアです。

a) FET 製造用の AUFET30 プラットフォーム。(b) BIDSCFET コネクタ。
Figure 1. a) FET 製造用の AUFET30 プラットフォーム。(b) BIDSCFET コネクタ。

Metrohm DropSens は AUFET30 も提供しています (図 1a)、プラスチック基板に固定された金の電気化学トランスデューサー。このプラットフォームは、FET を簡単に製造できるように、すべての電極 (ドレイン-ソース チャネルとゲート) を 1 つの部品に統合する共平面配置で設計されています。この構成により、電極間で常に同じ分離距離が保たれ、半導体材料によるチャネルの変更が容易になります。ドレイン ソース チャネルは、各電極の 6 つのバンドの組み合わせシステムです。バンドのギャップの幅は 30 μm、バンドの長さは 270 μm です。ゲート電極は正方形電極 (9 mm2 ) とドレイン ソース チャネルから 2 mm に配置されます。

専用コネクタ BIDSCFET (図 1b) AUFET30 は、あらゆる機器に簡単に接続できるように設計されています。ここでは、このコネクタの前面にあるスロットに AUFET30 が示されています。背面には、付属のケーブルのオス バナナ コネクタの色と一致する 4 つのメス バナナ コネクタがあり、直感的なセットアップが可能です。 

FET接続

5 種類のバナナ コネクタのラベル
Figure 2. 5 種類のバナナ コネクタのラベル

I-BICABSTAT ケーブル コネクタは、バイポテンシオスタット / ガルバノスタット μStat-i 400 に含まれています。このケーブルには、 で説明されているようにラベル付けされた 5 つのオス バナナ コネクタがあります。 図 2.

FET を使用して実験を行うために、目的の実験用途に応じてさまざまな接続配置が説明されています。 

FET特性評価のための接続

FET の特性評価中、ドレイン-ソース電流 (IDS) は、異なるゲート-ソース間電圧(VGS)を印加しつつ、ドレイン-ソース間電圧(VDS)を掃引することで評価します。したがって、接続の配置は次のようになります。 

  • XWE2 (黄色) のバナナ コネクタは、 ゲート電極
  • R (青) と A (黒) のバナナ コネクタは、 ソース電極。
  • WE1 (赤) と S (赤) のバナナ コネクタは、 ドレイン電極

接続が確立されたら、DropView 8400 ソフトウェア上でLSV+AD測定、実験のパラメーターは、ソフトウェアのパラメーター ウィンドウで設定できます。

  • 開始: V の初期値DS 
  • エンド: V の最終値DS 
  • E2: ゲート電圧 VGS
DropView 8400 ソフトウェアを使用して異なる VG-S で取得した ID-S (青) および IG-S (赤) 対 VD-S のプロット。
Figure 3. DropView 8400 ソフトウェアを使用して異なる VG-S で取得した ID-S (青) および IG-S (赤) 対 VD-S のプロット。

特性評価を実行するために、VGSを変化させながら、いくつかのLSV+ADの試験を行います。 実験中はグラフィック表示領域に 2 つの曲線が同時にプロットされます。IDS対VDSを示し、そして、赤い線はIG対VG-Sを示します。さまざまな LSV+AD 実験を実行した後、図3示すように一つにプロットしたようなグラフィック表示されます。

青い線は、異なるVG-Sにおいて、-0.40V~+0.40Vに間で、IDSとVDSの間に線形相関が見られます。評価されたデバイスの線形依存性は、オーム接触がドレイン-ソースチャネルの金電極と下にある半導体膜の間に保持されていることを確認します。 

伝達曲線 IV の接続: ドレイン-ソース チャネルに固定電圧を印加するゲート-ソース電圧の掃引

典型的な伝達曲線を得るために、ドレイン - ソース電流 (IDS) は固定電圧で検出され、VGS 掃引されます。キャラクタリゼーション後 (図 3)、VDSが+0.40Vで、印加されたVに応じて、IDS値の大きな変動が観察されます。そのため、この VDS 値 (+0.40 V) は、次の伝達曲線実験を実行するために選択されています。操作手順は前の説明と非常に似ていますが、接続は次のように行う必要があります。 

操作手順は前の説明と非常に似ていますが、接続は次のように行う必要があります。

  •  WE1 (赤) と S (赤) のバナナ コネクタは、 ゲート電極。 
  • R (青) と A (黒) のバナナ コネクタは、 ソース電極。 
  • XWE2 (黄色) のバナナ コネクタは、 ドレイン電極。 

接続が確立されたら、DropView8400ソフトウェア上でLSV+AD測定を選択してください。実験のパラメーターは、ソフトウェアのパラメーター ウィンドウで設定できます。

  • 開始: VG-Sの初期値
  • エンド: VG-Sの最終値
  • E2: ドレイン-ソース間電圧
DropView 8400 ソフトウェアで取得した VG-S に対する伝達曲線 IV (ID-S、赤い線) および漏れ電流 (IG-S、青い線) のプロット。
Figure 4. DropView 8400 ソフトウェアで取得した VG-S に対する伝達曲線 IV (ID-S、赤い線) および漏れ電流 (IG-S、青い線) のプロット。

実験を開始すると、グラフィック表示領域に 2 つの曲線が同時に表示されます。名前付きの伝達曲線 I-V に対応する赤い曲線 (IDS GS)、および漏れ電流に関連する青い曲線 (IGS GS) (図4).

連続測定の接続

(a) チャネル数を選択する必要がある DropView 8400 のパラメーター ウィンドウのセクション。(b) チャネル 1 の E が VG-S に対応し、チャネル 2 の E が VD-S に対応するパラメータ ウィンドウ内のマルチチャネル パラメータ タブ。
Figure 5. a) チャネル数を選択する必要がある DropView 8400 のパラメーター ウィンドウのセクション。(b) チャネル 1 の E が VG-S に対応し、チャネル 2 の E が VD-S に対応するパラメータ ウィンドウ内のマルチチャネル パラメータ タブ。

アプリケーションによっては、連続モードで測定を実行する必要があります。これは、最適なパラメータが選択されると、ゲートとソースの間に固定電圧が印加され、別の固定電圧がドレインにも印加されるためです。この場合、動作設定は伝達曲線に使用されたものと同じです。ただし、この状況では別の手法が使用されます。アンペロメトリック検出 DropView 8400 ソフトウェアで選択されます。ソフトウェアのパラメーター ウィンドウで、チャンネル数として «2» を選択します (図 5a)。次に、パラメータ ウィンドウ内の [Multichannel パラメータ] タブをクリックします (図 5b)、チャネル 1 でゲート-ソース電圧を設定し、チャネル 2 でドレイン-ソース電圧を設定します。実験を開始すると、グラフィックス表示領域に、I に関連する赤と青の 2 つの曲線が表示されます。それぞれ、IV-S対時間、IG-S対時間になります。 

Metrohm DropSens バイポテンショスタットを使用すると、ユーザーはゲート-ソース電流とドレイン-ソース電流を独自の図で同時に表示できます。つまり、伝達曲線 IV と漏れ電流を各実験で取得できます。このアプリケーション ノートに記載されているのと同じプロトコルを μStat 400 で使用できます。

さらに、AUFET30 は、FET の開発を容易にするための電気化学変換器です。専用コネクタ BIDSCFET と組み合わせることで、バイポテンショスタットへの適合が容易になり、従来の 3 電極電気化学セル設定よりも高い感度で信頼性の高い測定を実行できます。

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