Application of Photosynthetic Proteins in a Field-Effect Transistor for Low Light Intensity Detection
光合蛋白在场效应晶体管低光强度检测中的应用
基本信息
- 批准号:1400017
- 负责人:
- 金额:$ 31.07万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2014
- 资助国家:美国
- 起止时间:2014-05-15 至 2018-04-30
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
The objective of this award is to develop a new optical sensor using photosynthetic proteins as ultra-photosensitive elements. Ultra-sensitive photo-detectors are required for making night vision digital cameras and sensitive lab-on-a-chip devices. Due to the low sensitivity of the silicon-based pixel sensors, an external illumination source (i.e. flash) is usually required for photography in low light conditions with a digital camera. The light source affects the image quality (by reflection, loss of shadows, etc.) and consumes more power. A matrix of highly sensitive photo-transistors can be used in the next-generation cameras to enhance image qualities for medical, industrial, and security applications. In contrast to silicon, photosynthetic reaction center (RC) proteins are able to detect and respond to a few photons, emitted or reflected by individual molecules. In this research a well aligned layer of RCs will be employed in a field-effect transistor (FET) to make ultra-sensitive photo-detectors. In addition to the low light intensity imaging applications, this particular type of sensor can be used for detection of contaminants in water or labeled viruses in a lab-on-a-chip device. The proposed research will impact several areas such as nanotechnology, biotechnology, and electronics, ranging from material characterization to device development. This research will help to understand the interaction of biomaterials in synthetic structures. Also, the knowledge will be useful to design and optimize other bio-electronics devices.Employing the novel mechanism of charge photo-generation in photosynthetic proteins, field-effect transistors will be fabricated using the proteins as the secondary gate of the devices. Two different devices made of thin film silicon and single wall carbon nanotubes (CNTs) will be studied for the protein attachment and building the photo-transistors. In this work it is planned to study the immobilization approaches for binding the proteins to CNTs and silicon with specific orientations and to investigate the field effect in the protein-insulator-semiconductor structures. Ultimately, the fabricated device will be employed as an optical sensor in a lab-on-a-chip device. Both experimental and theoretical studies will be carried out to understand the limitations in using the field effect from a protein as a signal for modulating carriers in a semiconductor device. Also, the study of the protein-insulator-semiconductor structure will provide more insight to the challenges for using biological materials in electronic devices and will be transferable to other applications such as bio-solar cells and bionic eyes.
该奖项的目的是开发一种新的光学传感器,使用光合蛋白作为超光敏元件。超灵敏的光电探测器是制造夜视数码相机和灵敏的芯片实验室设备所必需的。由于硅基像素传感器的灵敏度较低,因此通常需要外部照明源(即闪光灯)才能在弱光条件下使用数码相机进行摄影。光源影响图像质量(通过反射、阴影损失等)并且消耗更多的功率。高灵敏度光电晶体管矩阵可用于下一代相机,以提高医疗、工业和安全应用的图像质量。与硅相反,光合反应中心(RC)蛋白能够检测和响应单个分子发射或反射的几个光子。在本研究中,一层排列良好的RC将被应用于场效应晶体管(FET)中,以制作超灵敏的光电探测器。除了低光强成像应用外,这种特殊类型的传感器还可用于检测水中的污染物或芯片实验室设备中的标记病毒。拟议的研究将影响纳米技术,生物技术和电子等几个领域,从材料表征到设备开发。该研究将有助于理解生物材料在合成结构中的相互作用。利用光合作用蛋白质光生电荷的新机制,将其作为器件的次级栅极,制备场效应晶体管。两种不同的装置由薄膜硅和单壁碳纳米管(CNTs)将被研究用于蛋白质附着和构建光电晶体管。在这项工作中,它计划研究的固定化方法结合蛋白质的碳纳米管和硅具有特定的取向,并调查在蛋白质绝缘体半导体结构的场效应。最终,制造的设备将被用作芯片实验室设备中的光学传感器。将进行实验和理论研究,以了解使用蛋白质的场效应作为调制半导体器件中载流子的信号的局限性。此外,对蛋白质-绝缘体-半导体结构的研究将为在电子设备中使用生物材料的挑战提供更多的见解,并将转移到其他应用中,如生物太阳能电池和仿生眼。
项目成果
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