Feldeffekttransistor-Biosensoren liefern hohe Sensitivität & Echtzeit-Detektion in Healthcare, Lebensmittelsicherheit & Umweltmonitoring

Die Nachfrage nach sensitiven und selektiven elektronischen Biosensoren – analytischen Geräten, die ein Ziel von Interesse in Echtzeit überwachen – wächst für eine breite Palette von Anwendungen. Sie sind ideal für Gesundheitswesen in klinischen Settings, Medikamentenentdeckung, Lebensmittelsicherheit und Qualitätskontrolle sowie Umweltmonitoring.

Elektronische Biosensoren sind attraktiv aufgrund ihrer Einfachheit, kurzer Analysezeit, niedriger Fertigungskosten, minimaler Probenvorbereitung und Potenzial, von ungeschultem Personal im Feld eingesetzt zu werden.

Forscher der Freien Universität Bozen-Bolzano und der ETH Zürich haben wissenschaftliche Fortschritte bei elektrolyt-gated Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistor (EG-CNTFET) Biosensoren rezensiert. Diese Geräte zeichnen sich durch überlegene elektronische Eigenschaften und intrinsische Signalverstärkung aus und sind in der Lage, eine breite Palette von Biomolekülen mit hoher Sensitivität zu detektieren.

Eine der Hauptkomponenten eines Biosensors ist sein Bioerkennungs-Element – wie Enzyme, Antikörper, Aptamere oder ionenselektive Membranen – das den Analyten (eine Substanz, deren Chemikalien gemessen und identifiziert werden) von Interesse selektiv erkennt. Biotransduktionsgeräte wandeln die Interaktion zwischen Bioerkennungs-Element und Analyten in ein messbares elektrisches Signal um.

„Biosensoren, die Feldeffekttransistoren als Biotransduktionselemente nutzen, sind eines der vielversprechendsten Geräte für Biosensing-Anwendungen, weil sie bereits hohe Sensitivitäten gegenüber mehreren Analyten bis hinunter zu pikomolaren Konzentrationen demonstriert haben“, sagt Mattia Petrelli von der Freien Universität Bozen-Bolzano. „Unter all den möglichen Materialien, die für FET-basierte Biosensoren genutzt werden können, sind halbleitende Kohlenstoffnanoröhren interessant, weil sie günstige elektrische und chemische Eigenschaften haben.“

Durch Organisation dieser Biosensoren mit verschiedenen Bioerkennungs-Elementen „ist es möglich, selektive Detektion verschiedener Analyten zu erreichen, wie Biomoleküle, Krebs-Biomarker, Bakterien und Ionen, um nur einige zu nennen“, sagt Petrelli. „Trotz Berichten, die das Potenzial der Translation dieser Biosensoren in reale Anwendungen demonstrieren, müssen Herausforderungen überwunden werden, bevor sie kommerziell verfügbar sind.“

EG-CNTFET-basierte Biosensoren sind derzeit nur in der Lage, einen Analyten zur Zeit zu detektieren. Verschiedene Interfaces innerhalb komplexer Medien wie Blut, Schweiß oder Speichel machen die Detektion spezifischer Signale ebenfalls herausfordernd.

„Dies limitiert die Anwendbarkeit dieser Biosensoren für Real-Life-Anwendungen“, sagt Petrelli. „Die Selektivität des Geräts sollte sorgfältig gegen alle möglichen interferierenden Agenten evaluiert werden, besonders innerhalb komplexer Detektionsumgebungen. Sobald diese Herausforderungen gemeistert sind, können wir uns vorstellen, dass diese Biosensoren in naher Zukunft für diverse Anwendungen implementiert werden.“