طراحي و شبيه‌سازي زيست حسگر تشخيص باكتري ايشرشيا كولي با استفاده از ترانزيستور اثر ميدان ارگانيك بر روي نيم‌رساناي پنتاسين

Design and Simulation of the Organic Bio-FET for Detection of Escherichia Coli Using Pentacene Organic Semiconductor

در اين مقاله با استفاده از ترانزيستور اثر ميدان ارگانيك، زيست حسگري براي تشخيص باكتري Escherichia Coli(O157:H7) طراحي شد و رفتار آن در مواجهه با باكتري و در محيط آزمايش، مورد تحليل و شبيه‌سازي قرار گرفت. طراحي اين زيست حسگر شامل دو قسمت ساختار و مواد است. در قسمت ساختار براي اولين بار از پيكربندي OCMFET براي تشخيص باكتري استفاده شد و به‌منظور بهبود عملكرد و پايداري، بر روي آن اصلاحاتي انجام گرفت. اين ساختار، پيش از اين فقط براي تشخيص هيبريداسيون DNA بكارگرفته شده بود. در ساختار اصلاح شده از يك مسير ميكروفلوئيديك براي ورود و خروج آناليت استفاده شده كه اين امر تشخيص در حجم‌هاي بسيار كم آناليت، با كارايي و سرعت بالا را ممكن ساخته است. در بخش مواد نيز از نيم‌رساناي ارگانيك پنتاسين با توجه به مزايايي مثل سازگاري با محيط زيست، ارزان و آسان بودن فرآيندهاي ساخت وعدم نياز به تجهيزات گران قيمت استفاده شده است. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد با گذشت 2 دقيقه از زمان اعمال آناليت حاوي باكتري E. Coli با غلظت Cfu/mL100 به سنسور، تعداد 35 عدد باكتري به سطح تشخيصي سنسور مي‌چسبند كه منجر به شيفت 72 ميلي‌ولتي در منحني مشخصه ترانزيستور مي‌شوند. اين شيفت طي 5 دقيقه به حدود 174 ميلي ولت به ازاي تشخيص 86 باكتري مي‌رسد كه نشان دهنده حساسيت بالاي سنسور مي‌باشد. زمان پاسخ سريع، حساسيت بالا، سازگاري با محيط زيست، قابليت ساخت با تكنولوژي موجود، و ارزان بودن از مزاياي ديگر اين ساختار مي‌باشد.

A biosensor for the detection of E. coli O157: H7 bacterium has been designed by using the mean of an organic field effect transistor, and the behavior of the sensor was studied and analyzed under a simulated environment. The design of biosensor includes two essential parts: scheming the structure and choosing the material. In the structure part, an OCMFET configuration, previously used for DNA hybridization, for the first time has been employed for the detection of E. coli with some modifications. In the modified structure, a microfluidic pathway has been added to let the analyte in and out, which makes it possible to detect low volumes of the bacterium in the stream of analyte efficiently and quickly. For the material part, Pentacene, as an organic semiconductor, has been used due to its valuable parameters such as environmental compatibility, cheapness, and easy manufacturing processes. The simulation results are shown 2 minutes after applying the analyte, containing 100 CFU/mL E. coli, 35 bacteria adhere to the active area of the device, leading to a 72 mV shift in the I-V curve. This shift reaches about 174 mV for 86 contained bacteria within 5 minutes which indicates high sensitivity of the sensor. The fast response time, notable sensitivity, biocompatibility, fabricability with current technology, and affordability are among the other benefits of this structure.