Химически чувствительный полевой транзистор

 Структура и принцип действия

Значительный вклад в совершенствование электрохимических сенсоров внесло применение МДП транзисторов, структура и принцип действия которых рассмотрены в "Сенсоры на полевых транзисторах и на приборах с отрицательной ВАХ. Газоразрядные сенсоры". На рис. 1 показаны дополнительные элементы структуры, которые делают такой транзистор химически чувствительным. Вентильный электрод здесь может и отсутствовать. Вместо него на тонкий слой диэлектрика наносят чувствительную мембрану, которая и обеспечивает селективную реакцию транзистора на определенные химические вещества. Транзистор со всех сторон, кроме этой мембраны, защищают изолирующим компаундом, поверх которого наносят электрод сравнения.

Рис. 1 Структура химически чувствительного полевого транзистора (ХЧПТ)

Перед измерением сверху на чувствительную мембрану капают небольшое количество контролируемого раствора так, чтобы он покрыл часть нанесенного поверх компаунда электрода сравнения. В другом варианте ХЧПТ погружают в контролируемый раствор.

При измерениях между электродом сравнения и основой из кремния  -типа подают постоянное напряжение смещения с таким расчетом, чтобы при отсутствии в контролируемом растворе аналита в приповерхностной области кремния между истоком и стоком образовался тонкий индуцированный канал  -типа. Между истоком и стоком подают небольшое напряжение и измеряют электрический ток, который протекает через транзистор. Как описано в лекции 10, этот ток зависит от потенциала на затворе транзистора. В данном случае роль затвора играет химически чувствительная мембрана. Как только в контролируемом растворе появляется аналит или возрастает его концентрация, то изменяется перепад потенциала на электроде сравнения и потенциал чувствительной мембраны. Это приводит к соответствующему изменению электрического тока через транзистор, которое легко измеряется.

Преимуществами ХЧПТ как электрохимического сенсора являются обычно присущая ему высокая чувствительность, малые габариты и энергопотребление, возможность формирования на том же кристалле кремния в едином технологическом процессе также всех электронных схем, необходимых для обработки полученных сигналов, для уменьшения влияния помех и шумов, для термокомпенсации. Преимуществами являются, конечно, и относительно небольшая цена, и малый требуемый объем пробы.

Ионоселективный полевой транзистор

Чтобы повысить селективность химически чувствительного полевого транзистора по отношению к определенному виду ионов, используют разные способы, в первую очередь, – модификацию. Например, достаточно селективный отклик на ионы водорода  получают заменой тонкого слоя окисла над инверсионной областью МДП транзистора на тонкий слой нитрида кремния (  ). Такой транзистор называют "  -селективным".

Натрий (  )-селективный полевой транзистор формируют посредством нанесения на тонкий слой подзатворного диэлектрика боросиликатного стекла нужного состава.

Если на тонкий слой диэлектрика нанести полимерную пленку с примесью валиномицина или краун-эфира, то полевой транзистор становится калий (  )-селективным.

Если же полимерную пленку модифицировать  -(1,1,3,3-тетраметил-бутил)-фенилфосфорной кислотой, то полевой транзистор становится  -селективным.

Модифицированные таким образом полевые транзисторы называют ионоселективными (сокращенно "ИСПТ").

В научной работе описан миниатюрный потенциометрический сенсор на ИСПТ, предназначенный для одновременного измерения в контролируемом растворе концентрации 4-х вышеупомянутых видов ионов. Этот мультисенсор состоит из пяти ИСПТ, сформированных на одном кристалле кремния ( рис. 2). Один из них является  -селективным, второй – натрий-селективным, третий – калий-селективным, четвертый – кальций-селективным. Пятый используется в качестве опорного полевого транзистора, затвор которого выполняет роль электрода сравнения. На этом же кристалле кремния сформированы также все необходимые электронные схемы обработки и усиления измерительных сигналов. Весь кристалл с внешними выводами, кроме зоны контакта с контролируемым раствором, защищают изолирующим компаундом. При измерениях кристалл на некоторое время опускают в контролируемый раствор или капают на него контролируемый раствор сверху. Внешние выводы соединены с небольшим электронным блоком, на дисплей которого и выводятся результаты измерения.

Рис. 2. "Линейка" из пяти ионоселективных полевых транзисторов: ИСПТ0 – опорный полевой транзистор; ИСПТ1 – рН-чувствительный полевой транзистор; ИСПТ2 – Na+-селективный полевой транзистор; ИСПТ3 – калий-селективный полевой транзистор; ИСПТ4 – кальций-селективный полевой транзистор

Биоселективный полевой транзистор

Представим теперь себе, что на чувствительной поверхности ХЧПТ методами биоинженерии и микробиологии, высажена живая клетка, избирательно реагирующая на то или иное внешнее влияние, и что естественная реакция высаженной клетки на это влияние изменяет электрический ток через ХЧПТ. Это может происходить как непосредственно, если реакция высаженной клетки состоит в изменении ее собственного электрического потенциала, а значит, и потенциала затвора ХЧПТ, так и опосредованно, если клетка реагирует на внешнее влияние рядом биохимических реакций, продукты которых являются электрохимически активными. Вследствие этого мы получаем очень чувствительный биоэлектронный сенсор. Учитывая очень малые размеры как ХЧПТ, так и осаждаемых на них клеток-рецепторов, на одном кристалле кремния можно создать довольно большой массив чувствительных к разным аналитам сенсоров. Тогда кристалл параллельно будет собирать информацию о довольно детальном химическом составе внешней среды и об изменениях, которые в ней происходят. А созданный на основе такого массива интеллектуальный электрохимический биосенсор будет соответствующим образом обрабатывать всю эту информацию и выдавать ее в готовом виде пользователю или в компьютерную сеть. Создание таких интеллектуальных сенсоров стало уже делом сегодняшней науки и технологии.