Los sensores electroquímicos han cobrado gran importancia en diferentes campos científicos, tecnológicos e industriales. Particularmente, los sensores con base en transistores de efecto de campo (Field-Effect Transistor, FET), han sido aceptados de forma relevante, debido a su gran potencial para la detección de procesos biológicos y fisicoquímicos. Desde la creación del primer biosensor construido alrededor de un dispositivo FET, en 1970, conocido como FET sensible a iones (Ion Sensitive FET, ISFET), se han desarrollado decenas de variantes de estos biosensores; hasta la fecha, su desarrollo es considerado como un área con gran campo de estudio y aplicaciones [1]. Las principales aplicaciones de estos biosensores electrónicos son las mediciones de pH y urea, la concentración de iones, glucosa, gases, células, la detección de ADN y bio-macromoléculas, por mencionar sólo algunas [2-4]. El esquema general de un biosensor FET se muestra en la Figura 1. El analito es objeto de estudio, y está formado por un electrolito y alguna especie o biomolécula específica. El elemento sensible, electrodo o membrana selectiva, es con quien el analito lleva a cabo una reacción electroquímica. Los electrodos son dispositivos fabricados de un material conductor, y en muchos casos, orgánico y biocompatible, mientras que, las membranas selectivas son fabricadas de materiales porosos orgánicos o estructuras poliméricas [1-3]. Posteriormente, como elemento transductor, se emplea un dispositivo electrónico de efecto de campo, quien convierte la energía del proceso electroquímico en una señal eléctrica. Ésta es cuantificada con un sistema de instrumentación, en el cual, se acondiciona electrónicamente la señal, se digitaliza, finalmente, es procesada, almacenada y analizada en un dispositivo digital [2]. El desarrollo de biosensores FET, sin embargo, representa un reto multidisciplinario que conjunta áreas como electroquímica, electrónica, instrumentación, ingeniería de materiales y bioquímica, haciendo de este tipo de dispositivos, una herramienta robusta, confiable y escalable para contribuir en la solución de diversos problemas. Recientemente, en la Coordinación de Mecánica y Energía del Instituto de Ingeniería, UNAM, se ha comenzado una línea de trabajo referente al diseño y desarrollo de biosensores y dispositivos bioelectrónicos. En este artículo, presentamos algunos de los avances de investigación, particularmente enfocados en biosensores FET, sus áreas de oportunidad, y el futuro de éstos en el corto y mediano plazo.
Figura 1: Principio de operación de un biosensor FET
Principio de funcionamiento
El funcionamiento de los biosensores FET es similar al de los transistores de efecto de campo de metal óxido semiconductor (Metal-Oxide-Semiconductor FET, MOSFET), ampliamente usados en la ingeniería electrónica. Sin embargo, la principal diferencia radica en que los biosensores consideran en su funcionamiento a los efectos electroquímicos dados por la interacción analíto-electrodo.
En la Figura 2 se muestra el montaje experimental de un sensor FET. El dispositivo consta de un electrodo de referencia RE, donde se aplica un voltaje de referencia VREF, y un electrodo de trabajo WE, quien detecta la reacción electroquímica del analito. El electrodo WE se conecta al dispositivo FET usado como transductor. El dispositivo FET se polariza en la terminal D con un voltaje drain-source VDS, mientras que la corriente drainsource IDS que se establece en el dispositivo, es proporcional al potencial del electrodo WE dado por el comportamiento electroquímico del analito. El sentido de la corriente, así como los voltajes suministrados, dependen del tipo de las características del dispositivo FET que se emplee.
Figura 2. Montaje experimental de un biosensor FET
Mecanismo de transducción
La corriente drain-sourceIDS depende, además, de los parámetros geométricos y físicos de fabricación del FET. Asimismo, la corriente depende del voltaje VDS y de un voltaje de umbral conocido como Vth' encargado de delimitar las regiones de operación lineal y saturación, como se muestra en la Figura 3.
Para biosensores FET, el Vth es un parámetro eléctrico definido, tanto por la estructura del dispositivo, como por la contribución electroquímica, resultado de la interacción electrodo-analito. Este comportamiento se describe analíticamente por la ecuación 1 mostrada en la Figura 3, donde, la contribución eléctrica del FET es Vth*, mientras que la parte electroquímica contempla el potencial del electrodo de referencia EREF' el potencial del dipolo superficial del analito χsol' la función de trabajo del electrodo de trabajo UM' la carga del electrón q y el potencial de la superficie del analito ϕ. Es importante mencionar que, los parámetros χsol y ϕ son parámetros que dependen de la concentración iónica del analito y de sus propiedades químicas [4,5]. Respecto a la contribución electroquímica, el potencial del electrodo de referencia EREF' corresponde a la ecuación de Nernst, mostrada en la ecua- ción 2 de la Figura 3. Dicha expresión, involucra al potencial como una función del cociente de la reacción química Q que es la relación entre productos y reactivos de una reacción química, donde Eo es el potencial estándar del electrodo RE, y depende del material con que se haya fabricado, R y F son las constantes de Ranking para los gases ideales y de Faraday, respectivamente, T la temperatura y n el número de electrones involucrados en la reacción
Figura 3. Curva característica de un transistor de efecto de campo
Medición de pH: La prueba de concepto
Dentro de la extensa revisión al estado del arte de los biosensores FET, la aplicación más común, es la medición de pH [4]. Este parámetro hace referencia a la concentración de iones hidrógeno en una disolución acuosa, e indica la alcalinidad o basicidad de la disolución. Dicho fenómeno se asocia a gran cantidad de aplicaciones en fenómenos bioquímicos [2-5]. Por ello, una primera prueba de concepto para un biosensor FET es la medición de pH. Dicha medición se hace preparando diferentes electrolitos llamados buffer, formados por un ácido débil y su base conjugada, o por una base y su ácido conjugado. La preparación del buffer se hace mediante la llamada ecuación de Henderson-Hasselbach, para calcular la concentración del ácido [A] y sal [S], buscando que el ácido tenga una constante de acidez pKa cercana al valor de pH deseado.
El montaje experimental para la medición de pH se muestra en la Figura 2, donde, el analito es el buffer con distintos valores pH = {3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12}. En la Figura 4(a) se muestran las curvas de salida para cada buffer, donde, se mide la corriente IDS en función de VDS', con un voltaje VREF fijo. Asimismo, la Figura 4(b) muestra la curva de transferencia para cada buffer, donde, la corriente IDS está en función del voltaje VREF', para un VDS fijo. En ambos casos, el valor de los voltajes fijos es obtenido experimentalmente, y debe de mantenerse constante en el rango de operación. En la Figura 5, se muestran las dos curvas de calibración obtenidas para el sensor FET de pH. De estas curvas es posible obtener la sensibilidad en función de corriente o voltaje, lo cual provee dos mecanismos para determinar el punto de operación del sensor. Adicionalmente, en la Figura 5 se observa que el biosensor presenta una alta linealidad en el rango de operación, con un coeficiente de determinación cercano a la unidad. En resumen, esta prueba de concepto muestra una forma de medir pH empleando un método eficiente y de bajo costo, comparado con otro tipo de transductores y técnicas [2], las cuales suelen ser tecnológicamente más complejas.
Figura 4. Curvas de caracterización de un sensor FET como sensor de pH
Futuro y perspectivas de los biosensores FET
Por su operación y múltiples ventajas, los biosensores FET son una potencial herramienta para coadyuvar en la solución de un gran espectro de problemas, especialmente en los campos de la biología y fisicoquímica. Sin embargo, el estudio y desarrollo de este tipo de dispositivos es un problema que continúa abierto, y requiere de soluciones tecnológicas que permitan mejorar y potenciar aún más su aplicación. Entre los retos actuales se encuentran, los procesos de fabricación y caracterización de sistemas de electrodos altamente sensibles, el diseño y modelado de dispositivos FET de alto desempeño, y la propuesta de novedosas aplicaciones. Con ello, actualmente continuamos en la búsqueda de respuestas científicas y tecnológicas para ofrecer dispositivos de bajo costo, con características de portabilidad, escalabilidad y confiabilidad para realizar mediciones in-situ, sin la necesidad de equipos robustos o técnicas especializadas. Finalmente, es necesario hacer mención que, la aplicación de este tipo de dispositivos es un trabajo en curso, logrando obtener sensores para medición de glucosa, ácido ascórbico y biotina, por mencionar solo algunos.
Figura 5. Curvas de calibración de un sensor FET como sensor de pH
Agradecimientos
Investigación realizada gracias al Programa UNAM-PAPIIT TA100221.
Referencias
Kaisti, M. (2017). Detection principles of biological and chemical FET sensors. Biosensors and Bioelectronics, 98, 437-448.
Alvarez-Serna, B. E. y Ramírez-Chavarría, R. G. (2020). EGFET-based pH Sensor integrated with a Low-cost Screen-printed Electrode System. Journal of Physics: Conference Series, In press.
Vu, C. A. y Chen, W. Y. (2019). Field-effect transistor biosensors for biomedical applications: recent advances and future prospects. Sensors, 19(19), 4214.
Pullano, S. A.; Critello, C. D.; Mahbub, I.; Tasneem, N. T.; Shamsir, S.; Islam, S. K. y Fiorillo, A. S. (2018). EGFET-based sensors for bioa- nalytical applications: A review. Sensors, 18(11), 4042.
Carrara, S. (2012). Bio/CMOS interfaces and co-design. Springer Science & Business Media.
