Biosensoren mit Feldeffekttransistoren sind vielversprechend

Die Nachfrage nach empfindlichen und selektiven elektronischen Biosensoren – Analysegeräten, die ein interessierendes Ziel in Echtzeit überwachen – wächst für eine Vielzahl von Anwendungen. Sie sind ideal für die Gesundheitsversorgung in klinischen Umgebungen, die Arzneimittelentdeckung, die Lebensmittelsicherheit und Qualitätskontrolle sowie die Umweltüberwachung.

Elektronische Biosensoren sind aufgrund ihrer Einfachheit, kurzen Analysezeit, geringen Herstellungskosten, minimalen Probenvorbereitung und der Möglichkeit, von ungeschultem Personal im Feld eingesetzt zu werden, attraktiv.

Forscher der Freien Universität Bozen und der ETH Zürich haben die wissenschaftlichen Fortschritte von elektrolytgesteuerten Biosensoren mit Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistoren (EG-CNTFET) überprüft. Diese Geräte zeichnen sich durch überlegene elektronische Eigenschaften und eine intrinsische Signalverstärkung aus und sind in der Lage, ein breites Spektrum an Biomolekülen mit hoher Empfindlichkeit nachzuweisen.

Eine der Hauptkomponenten eines Biosensors ist sein Bioerkennungselement – ​​wie Enzyme, Antikörper, Aptamere oder ionenselektive Membranen – das den interessierenden Analyten (eine Substanz, deren Chemikalien gemessen und identifiziert werden) selektiv erkennt. Biotransduktionsgeräte wandeln die Wechselwirkung zwischen dem Bioerkennungselement und dem Analyten in ein messbares elektrisches Signal um.

„Biosensoren, die (Feldeffekttransistoren) als Biotransduktionselemente verwenden, sind eines der vielversprechendsten Geräte für Biosensoranwendungen, da sie bereits eine hohe Empfindlichkeit gegenüber mehreren Analyten bis hinunter zu pikomolaren Konzentrationen gezeigt haben“, sagte Mattia Petrelli von der Freien Universität Bozen . „Unter allen möglichen Materialien, die für Biosensoren auf FET-Basis verwendet werden können, sind halbleitende Kohlenstoffnanoröhren interessant, weil sie günstige elektrische und chemische Eigenschaften haben.“

Indem diese Biosensoren mit verschiedenen Bioerkennungselementen organisiert werden, „ist es möglich, einen selektiven Nachweis verschiedener Analyten wie Biomoleküle, Krebs-Biomarker, Bakterien und Ionen zu erreichen, um nur einige zu nennen“, sagte Petrelli. „Trotz Berichten, die die potenzielle Umsetzung dieser Biosensoren in reale Anwendungen demonstrieren, müssen Herausforderungen überwunden werden, bevor sie im Handel erhältlich sind.“

EG-CNTFET-basierte Biosensoren sind derzeit in der Lage, jeweils nur einen Analyten nachzuweisen. Unterschiedliche Grenzflächen innerhalb komplexer Medien, wie Blut, Schweiß oder Speichel, machen die Erkennung spezifischer Signale ebenfalls zu einer Herausforderung.

"Dies schränkt die Anwendbarkeit dieser Biosensoren für reale Anwendungen ein", sagte Petrelli. „Die Selektivität des Geräts sollte sorgfältig gegen alle möglichen Störstoffe bewertet werden, insbesondere in komplexen Detektionsumgebungen. Sobald diese Herausforderungen bewältigt sind, können wir uns vorstellen, dass diese Biosensoren in naher Zukunft für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden.“