تطبيقات GFET في الاستشعار البيولوجي والكيميائي
الوصف
تقع ترانزستورات الجرافين ذات التأثير الميداني في قلب تكنولوجيا الاستشعار الحديثة. وبفضل حساسيتها العالية جداً وزمن استجابتها السريع، أصبحت هذه الترانزستورات أداة مهمة في كل من الكشف البيولوجي والكيميائي.
الهيكل ومبدأ تشغيل ترانزستورات الجرافين ذات التأثير الميداني
تتميّزترانزستورات الجرافين ذات التأثير الميداني بتصميم بسيط. تشكل طبقة واحدة من ذرات الكربون طبقة مسطحة من الجرافين. توضع هذه الصفيحة على ركيزة. تلامس الأقطاب المعدنية الجرافين الذي يعمل كقناة. وعندما يتم تطبيق جهد كهربائي على قطب البوابة، يقوم الترانزستور بتعديل التيار عبر قناة الجرافين.
يعمل المستشعر على مبدأ أن الخواص الكهربائية للجرافين تتغير عندما ترتبط الجزيئات بسطحه. ويؤدي ارتباط الجزيئات الحيوية أو المواد الكيميائية إلى تغيير موصلية الجرافين. ويتم قياس هذا التغيير وربطه بتركيز المادة التحليلية المستهدفة. يمكن أن تكون حساسية هذه المستشعرات عالية جدًا. وفي بعض الحالات، يمكنها اكتشاف الجزيئات بتركيزات في نطاق البيكومولار.
توظيف الجرافين للاستشعار الانتقائي
الجرافين وحده حساس للغاية ولكنه ليس انتقائيًا. ولتحسين الأداء، من الشائع إضافة جزيئات محددة إلى سطح الجرافين. يمكن إرفاق بروتينات أو أجسام مضادة أو أبتامرز. وترتبط هذه الجزيئات بالمادة المستهدفة فقط. على سبيل المثال، قد يرتبط جسم مضاد بفيروس أو بروتين معين. يمكن إضافة مجموعات كيميائية للكشف عن المركبات المتطايرة.
يمكن تطبيق المعالجات السطحية بعدة طرق. ومن الشائع وجود روابط تساهمية بسيطة أو تفاعلات غير تساهمية. تعتمد الطريقة المختارة على المادة التحليلية المستهدفة وأداء المستشعر المطلوب. تمنح عملية التفعيل هذه المجس القدرة على فصل جزيء واحد عن العديد من الجزيئات الأخرى.
تطبيقات الاستشعار البيولوجي
تُستخدم ترانزستورات الجرافين ذات التأثير الميداني في العديد من مجالات الاستشعار البيولوجي. فهي تساعد على سبيل المثال في الكشف عن البروتينات التي تشير إلى المرض. وفي الطب، تُستخدم المستشعرات في مراقبة مستويات الجلوكوز. وهذا أمر بالغ الأهمية في إدارة مرض السكري، كما تعمل هذه الأجهزة على اكتشاف الحمض النووي والحمض النووي الريبي. وفي بعض الحالات، تمكّن هذه الأجهزة من التحليل على مستوى الجزيء الواحد.
يمكن أن يكون وقت استجابة هذه المستشعرات قصيرًا للغاية، فقد ثبت أنها تستجيب في غضون ثوانٍ معدودة. وقد تم اختبار هذه الأجهزة بنجاح في البيئات المختبرية، وغالبًا ما تستخدم محاليل عازلة تحاكي سوائل الجسم. كما أن صغر حجمها يجعل من السهل تصميم أجهزة محمولة في نقاط الرعاية. وهذا أمر مهم في كل من الإعدادات السريرية والبعيدة.
تطبيقات الاستشعار الكيميائي
لا تقتصر ترانزستورات الجرافين ذات التأثير الميداني على التطبيقات البيولوجية. فهي مفيدة جداً أيضاً في الاستشعار الكيميائي. حيث يمكنها الكشف عن الغازات مثل الأمونيا أو ثاني أكسيد النيتروجين أو المركبات العضوية المتطايرة. وتساعد الوظيفة السطحية المحددة على تمييز مادة كيميائية عن أخرى.
وفي المراقبة البيئية، توفر هذه المستشعرات طريقة ملائمة لفحص جودة الهواء والماء. على سبيل المثال، تم استخدام أجهزة الاستشعار لقياس مستويات الغازات في المناطق الصناعية. فهي توفر قراءات سريعة تساعد في اتخاذ إجراءات عند اكتشاف التعرض الضار. كما أن حساسيتها العالية تجعلها أداة قيمة في ضمان السلامة في مختلف العمليات الكيميائية.
الخاتمة
تتمتع ترانزستوراتالجرافين ذات التأثير الميداني بمستقبل مشرق في مجالي الاستشعار البيولوجي والكيميائي. فالبنية البسيطة والحساسية العالية تجعلها جذابة جداً للتطبيقات المتقدمة.
الأسئلة المتداولة
س: ما هي الوظيفة الأساسية لمستشعرات ترانزستور تأثير المجال الجرافين؟
س: إنها تغيّر الخواص الكهربائية عندما تلتصق الجزيئات بالجرافين، مما يسمح بالكشف عن مواد بيولوجية أو كيميائية محددة.
س: كيف تُستخدم هذه المستشعرات في التطبيقات الطبية؟
س: تُستخدم للكشف عن المؤشرات الحيوية والبروتينات والحمض النووي، وهي ضرورية لتشخيص الأمراض ومراقبتها.
و: هل يمكن لهذه المستشعرات رصد المواد الكيميائية البيئية؟
س: نعم، فهي تقيس الغازات والمواد الكيميائية المختلفة، وهو أمر مهم للتحكم في التلوث والسلامة.
Chin Trento
