トランスデューサとしてFETを使用した電子(生体)センサ

パート1では、FETの基礎、様々なタイプのFET、EmStat Picoを使用した特性評価方法について説明します。

パート2では、例えば半導体としてのグラフェン、有機電気化学FETのコンセプトなど、より高度なFETに焦点を当てています。

電界効果トランジスタ(FET)は一般的な電子部品だが、信号増幅を内蔵した化学(バイオ)センサーの構築にも適している。電気化学者は、特性評価ツールの投資コストというハードルのために、FETベースのセンサーの可能性を探ることをためらっている。このウェビナーはそれを変えることを目的としている。

二人のプレゼンター
Dr. Lutz Stratmann (PalmSens)が、FETの専門家Dr. Marcin Szymon Filipiak (Institute of Physical Chemistry, Polish Academy of Sciences)と、FETベースのセンサーの基本原理、特性評価方法、使用する機器、アプリケーション例について議論します。

EmStat Pico Dev Kit アプリノート - FET特性評価

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ウェビナーの章 FETをトランスデューサとして使用した電子(バイオ)センサ - パート1

  • 0:00講演者紹介
  • 2:00FETを測定するバイポテンショスタット
  • 5:05物理化学研究所との検証協力
  • 6:20イントロダクション Marcin Szymon Filipiak
  • 9:06電界効果トランジスタとは?
  • 11:36バイポテンショスタットとFETを接続する2つのアプローチ
  • 15:00EmStat Picoのベンチマーキング
  • 17:18バイオセンシング・アプリケーションのための3つのアーキテクチャ
  • 20:47EmStat Picoによる拡張ゲート測定
  • 29:14FETを用いたバイオセンシングの利点と課題
  • 32:43免疫FETの受容体サイズ、表面工学とPEG
  • 40:50TSHスパイク馬血清の測定例
  • 44:10まとめ
  • 47:18質問1:PalmSensのポテンショスタットでEISを使ってトランスコンダクタンスを測定することは可能ですか?
  • 48:30質問2:PEGの役割は?センシングのメカニズムは?分析物の電荷を感知しているのですか?
  • 48:38質問3:バイオ・ウェアラブルにおいて10nAは現実に意味があるのか?
  • 51:21質問4:
  • 51:20PalmSens4はFETを使った計測に使えますか?
  • 54:10質問5:バイポテンショスタットとFETの接続方法は?
  • 57:12質問6:なぜ対極と参照電極は互いに接続されているのですか?
  • 58:55質問7:EmStat Picoは、バイオセンシング用の3種類のFETアーキテクチャ全てを測定することができますか?
  • 1:03:46質問8:PEGスペーサーはどのように感度を高めるのですか?
  • 1:05:58質問9:バイオセンサー用途にFETを選択する際に重要なパラメータは何ですか?

 

ウェビナーの章 FETをトランスデューサとして使用した電子(バイオ)センサ - パート2

  • 0:00講演者紹介
  • 0:30要約 電界効果トランジスタを変換器として用いた電子バイオセンサー - パート 1
  • 3:20イントロダクション Marcin Szymon Filipiak
  • 4:55第1章 電界効果トランジスタを用いたバイオセンシングのための小型多重バイポテンショスタット
  • 5:06第1章 EmStat Pico MUX16を用いた概念実証研究
  • 16:20第1章 おわりに
  • 16:52第2章 単層CVD成長グラフェン
  • 20:40第2章 MOSFETと電解質ゲートFETの比較
  • 21:50第2章 EmStat Pico開発キットを使ったGFET測定のセットアップ
  • 28:02第2章 まとめ
  • 29:05第3章 有機電気化学トランジスタ(OECT)
  • 31:30第3章 結論
  • 34:35質問1 - ゲートは金電極で、それも接地されているのですか?
  • 35:23質問2 - 金層の厚さは?
  • 36:00質問3 - グラフの端にあるノイズは何ですか?
  • 37:57質問4:なぜFETをファラデーケージに入れているのですか?
  • 40:46質問5 - なぜ同じタイプのMOSFETが16個あると16通りの結果が出るのですか?
  • 42:43質問6 - GFETは時間的に安定していますか?それとも、時間とともに漏れ電流が増加するのでしょうか?
  • 45:22質問7 - なぜ多重化のために16個ものトランジスタが必要なのですか?トランジスタは1つで十分ではないですか?
  • 48:03質問8 - EmStat Pico開発キットとEmStat Pico MUX16の違いは何ですか?
  • 50:19質問9:使用しているチオール化学物質とその鎖長は?
  • 51:10質問10 - なぜFETよりもオン/オフ比の高いカーボンナノチューブFETを使わないのか?

FET測定に関するよくある質問

FET測定は難しくありません。よくある質問を以下にまとめました。

FETの特性評価に必要な装置は?

FETの特性評価のために、2つの異なる電位、VSDとVGが制御され、ソース・ドレイン電流ISDが記録され、オプションでゲート電流IGが記録されます。シングルチャンネルポテンショスタットでは、これらの測定はできません。バイポテンショスタット、2つのシングルチャンネルポテンショスタット、またはマルチチャンネル測定器が必要です。

FETの特性評価に必要な機器

バイポテンショスタット、2つのシングルチャンネルポテンショスタット、またはマルチチャンネル装置が必要です。

EmStat Picoには2つのWE、2つのRE、2つのCE接続があります。バイポテンショスタットモードに切り替えると、実質的に2WE、1RE、1CEとなります。最初のWEは可変電位の制御に、2番目のWEは一定電位の印加に使用でき、両方の電極が同時に電流を記録します。

電位制御と電流記録が完全に同期した単一デバイスを測定に使用することは、実用的でコスト効率に優れています。EmStat Picoの利点はMethodSCRIPT機能です。これにより、両方の作用電極で自動レンジングを効果的に行うことができます。標準的なバイポテンショスタット測定では、第一の電極での電流レンジを最適化(オートレンジ化)できますが、第二の電極での電流レンジは固定されます。このアプリケーションノートの MethodSCRIPT コード(付属書 4.1 参照)には、第 2 の WE の電流レンジも最適化するループが含まれています。

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この実験にPalmSens4は使えますか?

はい、PalmSens4バイポテンショスタットはこれらの実験を実行することができますが、2番目の作業電極のオートレンジはありません。この制限を克服する良い方法は、複数の測定で掃引を分割することです。これは PSTraceのスクリプト・ウィンドウで簡単に行えます。

バイポテンショスタット付きPalmSens4を見る

なぜEmStat PicoのCE1とRE1を組み合わせたのですか?

2電極システムのように電位を制御すればよい。3電極システムは必要ない。そこでCE1とRE1を組み合わせました。

2電極システムと3電極システムの詳細

リファレンスRE1なしでWE1電位はどのように操作されますか?

EmStat Picoは2つの独立したチャンネルではなく、バイポテンショスタットとして使用されます。つまり、WE0とWE1は同じREとCEを共有しています。

バイポテンショスタットの詳細

MethodSCRIPTの仕組み

MethodSCRIPT は、最新世代の PalmSens ポテンショスタットが使用する言語です。MethodSCRIPT を使用すると、測定器またはポテンショスタットモジュールを完全に制御できます。MethodSCRIPT を使用すると、測定技術をカスタマイズして組み合わせたり、オンボードストレージの使用、データ解析、外部周辺機器の制御などのアクションを実行できます。例えば、EmStat PicoはMethodSCRIPTをサポートしています。

EmStat Pico Dev KitでMethodSCRIPTを使う

アプリノートを読む - FET特性評価

MethodSCRIPTについてもっと読む

 

 

FET測定を行うためのコードはありますか?

はい、コードは対応するアプリケーションノートに記載されており、ナレッジベースでダウンロード可能です:

FET測定のMethodSCRIPT

アプリノートを読む - FET特性評価

PGEスペーサーはどのように感度を向上させるのですか?

PEG - ポリエチレングリコールは生体反発性があり、非特異的吸着量を低減します。

FETバイオセンサプラットフォームがパートナーから提供された場合、PalmSensとのパートナーシップはどのように機能するのでしょうか?

PalmSensは受託研究を行っておりません。PalmSensは機器のサプライヤーであり、お客様はFETバイオセンサープラットフォームの特性評価を行います。

ソース・ドレイン電流を一定に保ち、ゲート掃引中のドレイン電圧変化を測定できますか?

ソース・ドレイン電流を一定に保つことは、グラフェンFETによく使われる。 EmStat Picoはガルバノスタットではないので、今のところこれは不可能です。PalmSens4は電流を一定に保つことができる。

バイポテンショスタット付きPalmSens4を見る

拡張ゲートFETベースのセンサーは、ポテンショスタティックモードで使用されるポテンショスタットのオンボードFETと同じように信号を増幅しますか?

質問は続く:したがって、オンボードのFETに頼るか、必要であれば信号増幅のためにオンボードのFETを追加する方が、より安全で信頼できるのではないでしょうか?

回答原理は同じはずです。独自のFETを選択する利点は、測定原理とプローブに最適なパラメータを選択できることです。拡張ゲートFETは、他の化学FETタイプ(ISFET、GFET)の動作原理を示す良い例ですので、教育目的には最適です。