16 384 ISFET превратили разброс транзисторов в детектор цитокинов
У полевого транзистора есть почти биохимическая суперсила: заряд, появившийся у его затвора, меняет ток канала. Но в растворе эта сила быстро исчезает. Ионы экранируют электрическое поле, поверхность плавает по потенциалу, а аналоговые параметры тысяч транзисторов расходятся ещё на фабрике. Авторы решили собрать эти недостатки в одном кристалле и проверить, можно ли увидеть белковые сигнальные молекулы по электрическому отклику.
Четыре химические лунки над кремниевой матрицей
Кристалл SkyWater 130 nm несёт матрицу 128×128 PMOS ISFET: 16 384 пикселя на активной площади 1.28×1.28 мм с шагом 10 мкм. Сверху лежит накладка из FlexDym, разделяющая поверхность на четыре изолированных микроканала. Каждый канал покрывает 17 колонок по 128 строк, то есть примерно 2176 транзисторов. Тысячи пикселей здесь дают усреднение и карту локальных эффектов поверхности, а не рекорд пространственного разрешения.
В первом канале закреплены антитела к IL-6, во втором — к IL-10. Третий прошёл ту же поверхностную химию, но остался без антител: его сигнал вычитают как фоновый. Четвёртый служит проверкой перекрёстной специфичности. Связывание цитокина меняет потенциал на границе жидкость—диэлектрик и, следовательно, ток ISFET. Флуоресцентную метку AF488 применяли отдельно, чтобы проверить нанесение антител; аналитический сигнал во время опыта снимали электрически.
Калибровка крутизны спасает несовершенный массив
Самый инженерный результат лежит в разбросе gm. На двух физических кристаллах пиковая крутизна транзисторов различалась примерно на 62%. После однократного измерения gm каждого кристалла авторы делили химически вызванное изменение тока ΔID на gm; межкристалльный разброс в этой двухчиповой проверке сократился примерно до ±16%. Это узкий, но важный результат: нормировка исправляет различие электрического усиления, она ещё не доказывает воспроизводимость полного биохимического анализа. Для pH матрица дала около 1.13 мкА/pH на пиксель при коэффициенте вариации около 14%.
В одиночных дозовых сериях показан диапазон 100 fM–10 nM для обоих цитокинов. Авторы определяют предел обнаружения пересечением дозовой кривой с уровнем 3σ неспецифического отклика: около 0.7 pM, или примерно 14 pg/mL, для IL-6 и менее 100 fM, или менее 1.9 pg/mL, для IL-10. У IL-10 кривая резко выходит на насыщение: оценённый EC50 около 0.8 pM оставляет верхние декады диапазона слабо пригодными для количественной оценки.
Буфер пока слишком чистый для крови
До анализа реальной крови этому кристаллу ещё предстоит длинная химическая дорога. Опыты шли в 0.01× PBS, где дебаевское экранирование слабее, чем в сыворотке. В статье прямо отмечена потребность в antifouling-покрытиях и проверке в неразбавленных биожидкостях. Тест перекрёстной специфичности пока односторонний: IL-6 подавали на лунку с anti-IL-10; обратный опыт и помехи от BSA, IgG и лизоцима ещё не выполнены. Зато уже видна привлекательная архитектурная идея: CMOS-процесс делает химический сенсор массивным, а измерение собственной аналоговой «подписи» кристалла даёт способ жить с его несовершенством.