ISFET - ISFET

Az ionérzékeny térhatású tranzisztor ( ISFET ) egy olyan mezőhatású tranzisztor, amelyet oldatban lévő ionkoncentrációk mérésére használnak; amikor az ionkoncentráció (például H ⁺ , lásd a pH- skálát) megváltozik, a tranzisztoron átáramló áram ennek megfelelően változik. Itt a megoldást kapuelektródként használják. A feszültség közötti szubsztrátum és oxid felületek miatt keletkezik egy ion hüvely. Ez egy speciális típusú MOSFET (fém-oxid-félvezető térhatású tranzisztor), és ugyanazon az alapszerkezettel rendelkezik, de a fém kaput ionérzékeny membrán , elektrolit- oldat és referencia-elektróda helyettesíti . Az 1970-ben feltalált ISFET volt az első bioszenzoros FET (BioFET).

Az ISFET sematikus nézete. A FET rendszerben használt két elektróda a forrás és a lefolyó. Az elektronáramlás a lefolyó és a forrás közötti csatornában zajlik. A kapupotencia szabályozza az áram áramlását a két elektróda között.

A kapuanyagok Si – OH csoportjainak felületi hidrolízise a vizes oldatokban a pH-érték miatt változik. Tipikus kapuanyagok: SiO ₂ , Si ₃ N ₄ , Al ₂ O ₃ és Ta ₂ O ₅ .

Az oxid felületi töltéséért felelős mechanizmus leírható a helymegkötési modellel , amely leírja az Si-OH felületi helyek és az oldat H ⁺ ionjai közötti egyensúlyt . Az oxid felületet borító hidroxilcsoportok, mint például a SiO ₂ , adományozhatnak vagy be tudnak fogadni egy protont, és így amfoter módon viselkedhetnek, amint azt a következő sav-bázis reakciók mutatják be az oxid-elektrolit határfelületen:

—Si – OH + H ₂ O ↔ —Si – O ^-     + H ₃ O ⁺

—Si – OH + H ₃ O ⁺   ↔ —Si – OH ₂ ⁺ + H ₂ O

Az ISFET forrása és lefolyója úgy van kialakítva, mint egy MOSFET esetében . A kapuelektródát egy hidrogénionokra érzékeny gát és egy rés választja el a csatornától , hogy a vizsgált anyag érintkezésbe kerülhessen az érzékeny gáttal. Az ISFET küszöbfeszültsége függ az ion-érzékeny gátjával érintkező anyag pH-jától.

Gyakorlati korlátozások a referenciaelektród miatt

A H ⁺ koncentrációra érzékeny ISFET elektród használható hagyományos üvegelektródaként az oldat pH-jának mérésére . Működéséhez azonban referenciaelektródra is szükség van . Ha az oldattal érintkezésben használt referenciaelektróda klasszikus típusú AgCl vagy Hg ₂ Cl ₂ típusú, akkor ugyanazokat a korlátozásokat éri el, mint a hagyományos pH-elektródákat (csatlakozási potenciál, KCl- szivárgás és gélelektród esetén a glicerin- szivárgás). Egy hagyományos referenciaelektróda terjedelmes és törékeny is lehet. A klasszikus referenciaelektród által korlátozott túl nagy térfogat szintén kizárja az ISFET elektróda miniatürizálását, amely bizonyos biológiai vagy in vivo klinikai elemzések kötelező eleme (eldobható mini-katéteres pH-szonda). A hagyományos referenciaelektróda lebomlása problémát okozhat a gyógyszeripar vagy az élelmiszeripar on-line méréseiben is, ha a nagyon értékes termékeket a gyártás késői szakaszában elektródatörmelék vagy mérgező kémiai vegyületek szennyezik, és a biztonság kedvéért el kell dobni.

Ezért több mint 20 éve számos kutatási tevékenységet szenteltek a chipbe ágyazott apró referenciamező-tranzisztoroknak (REFET). Működési elvük vagy működési módjuk az elektróda gyártótól függően változhat, és gyakran szabadalmakkal védett és védett. A REFET-hez szükséges félvezetővel módosított felületek szintén nincsenek mindig a tesztoldattal termodinamikai egyensúlyban, és érzékenyek lehetnek agresszív vagy zavaró oldott fajokra vagy nem jól jellemzett öregedési jelenségekre. Ez nem jelent igazi problémát, ha az elektródát rendszeres időközönként gyakran újra lehet kalibrálni, és élettartama alatt könnyen karbantartható. Ez azonban problémát jelenthet, ha az elektródának hosszabb ideig az interneten kell maradnia, vagy nem érhető el bizonyos korlátozások miatt, amelyek maguk a mérések jellegéhez kapcsolódnak (geokémiai mérések megnövekedett víznyomás alatt zord környezetben vagy anoxikus körülmények között). vagy a légköri oxigén bejutása vagy nyomásváltozás által könnyen megzavarható körülmények csökkentése).

Az ISFET elektródákhoz, mint a hagyományos üvegelektródákhoz, kulcsfontosságú tényező marad tehát a referenciaelektróda. Az elektróda meghibásodásainak elhárításakor gyakran a legtöbb problémát a referencia elektróda oldaláról kell keresni.

Az ISFET alacsony frekvenciájú zaja

Az ISFET-alapú szenzorok esetében az alacsony frekvenciájú zaj leginkább káros a teljes SNR-re, mivel zavarhatja az azonos frekvenciatartományban átívelő biomedicinális jeleket. A zajnak főleg három forrása van. Az ISFET-en kívüli zajforrásokat külső zajnak nevezzük, például környezeti interferenciának és a terminál leolvasó áramköréből származó műszerzajnak. A belső zaj az ISFET szilárd részén megjelenő zajra utal, amelyet elsősorban a hordozók csapdázása és csapdázása okoz az Oxide / Si interfészen. A külső zaj általában a folyadék / oxid határfelületen gyökerezik, amelyet a folyadék / oxid határfelület ioncseréje okoz. Számos módszert találtak ki az ISFET zajának elnyomására. Például a külső zaj elnyomására integrálhatunk egy bipoláris csomópontú tranzisztort az ISFET-be, hogy azonnal megvalósítsuk a lefolyóáram belső erősítését. A belső zaj elnyomására a zajos oxid / Si felületet egy Schottky elágazási kapuval helyettesíthetjük.

Történelem

Az ISFET alapja a MOSFET (fém-oxid-félvezető mező hatású tranzisztor), amelyet eredetileg Mohamed M. Atalla egyiptomi mérnök és Dawon Kahng koreai mérnök találtak ki 1959-ben. 1962-ben Leland C. Clark és Champ Lyons találták fel. a bioszenzor .

Piet Bergveld holland mérnök , a Twentei Egyetemen később tanulmányozta a MOSFET-et, és rájött, hogy az elektrokémiai és biológiai alkalmazások szenzorává alakítható . Ez vezetett ahhoz, hogy Bergveld 1970-ben feltalálta az ISFET-et. Az ISFET-et "egy speciális típusú MOSFET-nek, amelynek kapuja egy bizonyos távolságra van". Ez volt a legkorábbi Biosensor FET (BioFET).

Az ISFET szenzorokat CMOS (kiegészítő MOS) technológián alapuló integrált áramkörökbe lehetne beépíteni . ISFET eszközök széles körben használják orvosbiológiai alkalmazások, mint például a kimutatására DNS hibridizáció , biomarker kimutatására a vérből , ellenanyag kimutatására, a glükóz mérési és pH- érzékelő. Az ISFET az alapja a későbbi BioFET-eknek is, például a géntechnológiában használt DNS- mezőkhatású tranzisztoroknak (DNAFET) .

Lásd még

• Kémiai térhatású tranzisztor
• Ionszelektív elektródák
• MISFET : fém – szigetelő – félvezető terepi tranzisztor
• MOSFET : fém – oxid – félvezető térhatású tranzisztor
• pH
• pH mérő
• Potenciometria
• Kinhidron elektród
• Telített kalomel elektróda
• Ezüst-klorid elektróda
• Normál hidrogénelektróda

Hivatkozások

Bibliográfia

• Bergveld, P. (2003). "Az ISFETOLOGY harminc éve: Mi történt az elmúlt 30 évben és mi történhet a következő 30 évben" . B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 88 : 1–20. doi : 10.1016 / S0925-4005 (02) 00301-5 .

• Bergveld, P. (2003). ISFET, elmélet és gyakorlat (PDF) . IEEE szenzor konferencia, 2003. október. Toronto: IEEE. o. 26.
• ISFET pH-érzékelők

További irodalom

• Rothberg, Johnathan M (2011). "Integrált félvezető eszköz, amely lehetővé teszi a nem optikai genom szekvenálását" . Természet . 475 (7356): 348–52. doi : 10.1038 / nature10242 . ISSN   1476-4687 . PMID   21776081 .
• Bergveld, P. (1985). "A MOSFET-alapú érzékelők hatása" . Érzékelők és működtetők . 8 (2): 109–127. Bibcode : 1985SeAc .... 8..109B . doi : 10.1016 / 0250-6874 (85) 87009-8 . ISSN   0250-6874 .
• Bergveld, P. (1986). "FET alapú bioszenzorok fejlesztése és alkalmazása" . Bioszenzorok . 2 (1): 15–33. doi : 10.1016 / 0265-928X (86) 85010-6 . ISSN   0265-928X . PMID   3790175 .
• Bergveld, P. (1991). "A közvetlen elektromos fehérje detektálási módszerek kritikus értékelése" . Bioszenzorok és bioelektronika . 6 (1): 55–72. doi : 10.1016 / 0956-5663 (91) 85009-L . ISSN   0956-5663 . PMID   2049171 .
• Bergveld, P. (2003). "Az ISFETOLOGY harminc éve: Mi történt az elmúlt 30 évben és mi történhet a következő 30 évben" . B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 88 (1): 1–20. doi : 10.1016 / S0925-4005 (02) 00301-5 . ISSN   0925-4005 .
• Bergveld, P. (2003). ISFET, elmélet és gyakorlat (PDF) . IEEE szenzor konferencia Torontóban, 2003. október. Toronto: IEEE. 26. oldal 26. oldal Az eredetiből (PDF) archiválva , 2008-08-20.
• Bergveld, P; A Van den Berg; PD Van der Wal; M Skowronska-Ptasinska; EJR Sudhölter; DN Reinhoudt (1989). "Hogyan eshetnek egybe a REFET-ek elektromos és kémiai követelményei" . Érzékelők és működtetők . 18 (3–4): 309–327. doi : 10.1016 / 0250-6874 (89) 87038-6 . ISSN   0250-6874 .
• Chudy, M; W Wróblewski; Z Brzózka (1999). Msgstr "A REFET felé". B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 57 (1–3): 47–50. doi : 10.1016 / S0925-4005 (99) 00134-3 . ISSN   0925-4005 .
• Chudy, Michal; Wojciech Wróblewski; Zbigniew Brzózka (1999). Msgstr "A REFET felé". B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 57 (1–3): 47–50. doi : 10.1016 / S0925-4005 (99) 00134-3 . ISSN   0925-4005 .
• Collins, SD (1993). "A szilárdtest-referencia-elektródák gyakorlati határai". B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 10 (3): 169–178. doi : 10.1016 / 0925-4005 (93) 87002-7 . ISSN   0925-4005 .
• Duroux, P; C Emde; P Bauerfeind; C Ferenc; A Grisel; L Thybaud; D Armstrong; C Depeursinge; AL Blum (1991). "Az ionérzékeny terepi tranzisztor (ISFET) pH-elektróda: új érzékelő a hosszú távú ambuláns pH-monitorozáshoz" . Bél . 32 (3): 240–245. doi : 10.1136 / bél.32.3.240 . ISSN   0017-5749 . PMC   1378826 . PMID   2013417 .
• Errachid, A .; J. Bausells; N. Jaffrezic-Renault (1999). Msgstr "Egyszerű REFET a pH kimutatásához differenciál üzemmódban". B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 60 (1): 43–48. doi : 10.1016 / S0925-4005 (99) 00242-7 . ISSN   0925-4005 .
• Ghallab, YH; W. Badawy; KVIS Kaler. "Új pH-érzékelő, amely differenciális ISFET árammódú kiolvasó áramkört használ". Nemzetközi konferencia a MEMS, a NANO és az intelligens rendszerek témakörében . Nemzetközi konferencia a MEMS, a NANO és az intelligens rendszerek témájában. Banff, Alta., Kanada. 255–258. doi : 10.1109 / ICMENS.2003.1222002 .
• Guth, U; F Gerlach; M Decker; W Oelßner; W Vonau (2009). "Szilárdtest-referencia-elektródák potenciometrikus érzékelőkhöz". Szilárdtest-elektrokémiai folyóirat . 13. (1): 27–39. doi : 10.1007 / s10008-008-0574-7 . ISSN   1432-8488 . S2CID   94301958 .
• Huang, I-Yu. "Kémiai érzékelők kutatócsoport" . Letöltve: 2010.11.01 . A citáláshoz szükséges napló |journal= ( segítség )
• Huang, I-Yu; Ruey-Shing Huang; Lieh-Hsi Lo (2002). "Új strukturált ISFET integrált Ti / Pd / Ag / AgCl elektróddal és mikromegmunkált hátsó P + érintkezőkkel" . A Kínai Mérnöki Intézet folyóirata . 25 (3): 327–334. doi : 10.1080 / 02533839.2002.9670707 . S2CID   109790089 . Archivált eredeti on 2011-07-03 . Letöltve: 2010.11.01 .
• Kal, S .; Bhanu, PV (2007). Az ISFET megtervezése és modellezése a pH érzékeléséhez . TENCON 2007 - 2007 IEEE Region 10 konferencia. Tajpej. 1–4. doi : 10.1109 / TENCON.2007.4428805 . ISBN   978-1-4244-1272-3 .
• Kisiel, Anna; Agata Michalska; Krzysztof Maksymiuk (2007. szeptember). "Műanyag referenciaelektródák és műanyag potenciometrikus cellák diszperzióval öntött poli (3,4-etilén-dioxi-tiofén) és poli (vinil-klorid) alapú membránokkal". Bioelektrokémia . 71. (1): 75–80. doi : 10.1016 / j.bioelechem.2006.09.006 . ISSN   1567-5394 . PMID   17107827 .
• Lee, YC; BK Sohn (2002). "FET típusú referenciaelektróda fejlesztése a pH kimutatására". A Koreai Fizikai Társaság folyóirata . 40 (4): 601–604. Bibcode : 2002JKPS ... 40..601Y . doi : 10.3938 / JPK.40.601 . ISSN   0374-4884 .
• Lisdat, F .; W. Moritz (1993. augusztus). "Szilárdtest-struktúrán alapuló referenciaelem". B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 15 (1–3): 228–232. doi : 10.1016 / 0925-4005 (93) 85057-H . ISSN   0925-4005 .
• Skowronska-Ptasinska, M; PD Van Der Wal; A Van Den Berg; P Bergveld; EJR Sudhölter; DN Reinhoudt (1990). "Kémiailag módosított ISFET-eken alapuló referencia terepi tranzisztorok" . Analytica Chimica Acta . 230 : 67–73. doi : 10.1016 / s0003-2670 (00) 82762-2 . ISSN   0003-2670 .
• Suzuki, Hiroaki; Taishi Hirakawa; Satoshi Sasaki; Isao Karube (1998-02-15). "Mikromegmunkált folyadék-elágazású Ag / AgCl referenciaelektróda". B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 46 (2): 146–154. doi : 10.1016 / S0925-4005 (98) 00110-5 . ISSN   0925-4005 .
• van den Berg, A .; A. Grisel; HH van den Vlekkert; NF de Rooij (1990 január). "Mikrotérfogatú nyitott folyadék-csomópont-elektróda a pH-ISFET-ekhez". B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 1 (1–6): 425–432. doi : 10.1016 / 0925-4005 (90) 80243-S . ISSN   0925-4005 .
• Vonau, W .; W. Oelßner; U. Guth; J. Henze (2010-02-17). "Teljes szilárdtest-referencia elektróda". B érzékelők és működtetők: vegyi anyagok . 144 (2): 368–373. doi : 10.1016 / j.snb.2008.12.001 . ISSN   0925-4005 .