ISFET - ISFET

Tämä artikkeli koskee transistoria. Egyptiläisen mytologian käsitteestä, katso Isfet (egyptiläinen mytologia) .

Ioniherkkää kanavatransistori ( ISFET ) on kanavatransistori käytetään mittaamaan ionipitoisuudet liuoksessa; kun ionipitoisuus (kuten H + , katso pH- asteikko) muuttuu, transistorin läpi kulkeva virta muuttuu vastaavasti. Tässä ratkaisua käytetään hilaelektrodina. Välinen jännite substraatin ja oksidi pinnoille syntyy johtuu ionin vaipan. Se on erityinen MOSFET - tyyppi (metallioksidi-puolijohde-kenttävaikutteinen transistori), ja sillä on sama perusrakenne, mutta metalliportti korvataan ioniherkällä kalvolla , elektrolyyttiliuoksella ja vertailuelektrodilla . Vuonna 1970 keksitty ISFET oli ensimmäinen biosensori FET (BioFET).

ISFETin kaaviokuva. Lähde ja tyhjennys ovat kaksi FET-järjestelmässä käytettyä elektrodia. Elektronivirta tapahtuu kanavassa tyhjennyksen ja lähteen välillä. Hilapotentiaali ohjaa virran virtausta kahden elektrodin välillä.

Pinta hydrolyysi Si-OH-ryhmien portin materiaalien vaihtelee vesiliuoksissa vuoksi pH-arvoa. Tyypillisiä portti materiaaleja ovat SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 ja Ta 2 O 5 .

Oksidin pintavarauksesta vastaava mekanismi voidaan kuvata paikan sitoutumismallilla , joka kuvaa tasapainon Si-OH-pintakohtien ja liuoksessa olevien H + -ionien välillä. Hydroksyyliryhmät päällystämiseksi oksidipintaa, kuten SiO 2 voi luovuttaa tai ottaa vastaan protonin ja siten käyttäytyä amfoteerinen tavalla, kuten on kuvattu seuraavasti happo-emäs-reaktiot tapahtuvat oksidi-elektrolyyttirajapinnan:

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

ISFETin lähde ja tyhjennys on rakennettu kuten MOSFETille . Hilaelektrodi on erotettu kanavasta esteellä, joka on herkkä vetyioneille, ja aukon, jotta testattava aine pääsee kosketuksiin herkän esteen kanssa. ISFETin kynnysjännite riippuu aineen pH: sta, joka on kosketuksessa sen ioniherkän esteen kanssa.

Käytännölliset rajoitukset vertailuelektrodista johtuen

H + -pitoisuudelle herkkää ISFET-elektrodia voidaan käyttää tavanomaisena lasielektrodina liuoksen pH : n mittaamiseksi . Se vaatii kuitenkin myös vertailuelektrodin toiminnan. Jos referenssielektrodi käyttää kosketuksessa liuokseen on sitä AgCI tai Hg 2 Cl 2 klassista, se kärsii samoja rajoituksia kuin tavanomaiset pH-elektrodit (risteyksessä potentiaalia, KCI vuotaa, ja glyserolia vuotaa tapauksessa geelin elektrodi). Tavanomainen vertailuelektrodi voi myös olla iso ja hauras. Klassisen vertailuelektrodin rajoittama liian suuri tilavuus estää myös ISFET-elektrodin pienentämisen, joka on pakollinen ominaisuus joissakin biologisissa tai in vivo kliinisissä analyyseissä (kertakäyttöinen mini-katetrin pH-koetin). Tavanomaisen vertailuelektrodin hajoaminen voi myös aiheuttaa ongelmia online-mittauksissa lääke- tai elintarviketeollisuudessa, jos erittäin arvokkaat tuotteet saastuttavat elektrodijätteet tai myrkylliset kemialliset yhdisteet myöhäisessä tuotantovaiheessa ja ne on hävitettävä turvallisuuden vuoksi.

Tästä syystä yli 20 vuoden ajan monet tutkimukset on kohdistettu sirulle upotettuihin pieniin vertailukenttätransistoreihin (REFET). Niiden toimintaperiaate tai toimintatila voi vaihdella elektrodien tuottajien mukaan, ja ne ovat usein patentoituja ja suojattuja. REFETin edellyttämät puolijohdemodifioidut pinnat eivät myöskään ole aina termodynaamisessa tasapainossa testiliuoksen kanssa ja ne voivat olla herkkiä aggressiivisille tai häiritseville liuenneille lajeille tai huonosti karakterisoiduille ikääntymisilmiöille. Tämä ei ole todellinen ongelma, jos elektrodi voidaan usein kalibroida säännöllisin väliajoin ja sitä voidaan helposti ylläpitää sen käyttöiän aikana. Tämä voi kuitenkin olla ongelma, jos elektrodin on oltava upotettuna verkkoon pitkäksi aikaa tai se ei ole käytettävissä tiettyjen rajoitusten vuoksi, jotka liittyvät itse mittausten luonteeseen (geokemialliset mittaukset korotetussa vesipaineessa ankarissa olosuhteissa tai hapettomissa olosuhteissa tai vähentävät olosuhteita, jotka helposti häiritsevät ilmakehän hapen tunkeutumisesta tai paineen muutoksista).

Ratkaiseva tekijä ISFET-elektrodeille, kuten tavanomaisille lasielektrodeille, on siis vertailuelektrodi. Elektrodien toimintahäiriöiden vianmäärityksessä useimmat ongelmat on etsittävä vertailuelektrodin puolelta.

ISFET: n matalataajuinen melu

ISFET-pohjaisten antureiden matalataajuinen melu on haitallisinta kokonais SNR: lle, koska se voi häiritä biolääketieteellisiä signaaleja, jotka ulottuvat samalla taajuusalueella. Melulla on pääasiassa kolme lähdettä. Itse ISFET: n ulkopuolisiin melulähteisiin viitataan ulkoisena meluna, kuten ympäristöhäiriöinä ja päätelaitteen lukupiirien instrumenttimeluina. Sisäinen melu viittaa ISFET: n kiinteässä osassa esiintyvään kohinaan, joka johtuu pääasiassa kantoaineiden loukkuun jäämisestä ja poistamisesta Oxide / Si-rajapinnalla. Ja ulkoinen melu juurtuu yleensä neste / oksidirajapintaan, mikä johtuu ioninvaihdosta neste / oksidirajapinnassa. ISFET-melun vaimentamiseksi on keksitty monia menetelmiä. Esimerkiksi ulkoisen kohinan vaimentamiseksi voimme integroida bipolaarisen liitostransistorin ISFET: n kanssa tyhjennysvirran välittömän sisäisen vahvistuksen toteuttamiseksi. Ja sisäisen melun tukahduttamiseksi voimme korvata meluisen oksidi / Si-rajapinnan Schottky-liitosportilla.

Historia

ISFETin perustana on MOSFET (metallioksidi-puolijohdekenttätransistori), jonka alun perin keksivät egyptiläiset insinöörit Mohamed M.Atalla ja korealaiset insinöörit Dawon Kahng vuonna 1959. Vuonna 1962 Leland C.Clark ja Champ Lyons keksivät biosensori .

Hollantilainen insinööri Piet Bergveld klo University of Twente , opiskeli myöhemmin MOSFET ja tajusin voitaisiin sovittaa osaksi anturi varten sähkökemiallisten ja biologisia sovelluksia. Tämä johti Bergveldin keksimään ISFETiin vuonna 1970. Hän kuvasi ISFETiä "erityyppiseksi MOSFETiksi, jonka portti on tietyllä etäisyydellä". Se oli varhaisin Biosensor FET (BioFET).

ISFET-anturit voitaisiin toteuttaa integroiduissa piireissä, jotka perustuvat CMOS- tekniikkaan (komplementaarinen MOS). ISFET-laitteita käytetään laajalti biolääketieteellisissä sovelluksissa, kuten DNA-hybridisaation , biomarkkerien havaitseminen verestä , vasta-aineiden havaitseminen, glukoosimittaus ja pH- anturit. ISFET on myös perustana myöhemmin BioFETs, kuten DNA-kanavatransistori (DNAFET), jota käytetään geneettisen tekniikan .

Katso myös

Viitteet

Bibliografia

Lisälukemista