Ионоселективный полевой транзистор

Рассмотрим один из них.

Химические полевые транзисторы Такие датчики реализуются на основе полевых транзисторов, на затворы которых наносятся один или несколько слоев специальных покрытий, способных реагировать на определенные химические вещества (рис.

5). Эти химические реагенты, воздействуя на затвор транзистора, меняют его проводимость между стоком и истоком. Величина этих изменений определяется типом химического вещества. В зависимости от типа исследуемых реагентов меняется и тип покрытий. Существующие химические полевые транзисторы позволяют детектировать водород в воздухе, кислород в крови, некоторые нервно-паралитические газы, NH3, СО2 и некоторые взрывоопасные вещества.

Рис.

5. Конструкция жидкостного химического полевого транзистора и электрическая схема его включения Для изготовления химических полевых транзисторов (ХПТ), также как и обычных ПТ, применяются тонкопленочные технологии. ХПТ реализуются на подложке из кремния р-типа, на которой методом диффузии сформированы две области n-типа (сток и исток). Полученная конструкция покрывается изоляционным слоем диоксида кремния, и над зоной между стоком и истоком формируется металлический электрод (затвор ПТ), на который наносится многослойное химическое покрытие. Во время работы на транзистор подается напряжение. Электроны, собирающиеся возле поверхности полупроводника за счёт поляризации специальных покрытий, нанесенных на затвор, формируют канал проводимости между nзонами стока и истока. Фактически, ХПТ работает как химически управляемый резистор. ХПТ подключен ко входам дифференциального усилителя, выходное напряжение которого пропорционально проводимости транзистора. Также проводимость ХПТ можно определить при помощи преобразователя ток-напряжение с эталонным резистором R.

Затвор ХПТ, детектирующего водород, выполняется в виде Pb/Ni пленки. В усовершенствованных ХПТ, обладающих более высокой стабильностью, например, ХПТ, используемых для детектирования жидкостных реагентов, между затвором из диоксида кремния и мембраной, отделяющей затвор от анализируемого состава, формируется слой гидрогеля Ag/AgCl. Селективная мембрана обычно изготавливается из поливинилхлорида, полиуретана, силиконовой резины или полиэфира.

В ХПТ, детектирующих ионы, затвор, покрывается слоем электролита, химически активного по отношению к ионам определенных веществ, или заменяется на другой полупроводниковый материал. Если ион-селективный материал пропускает ионы, то ХПТ называется MEMFET, а если его мембрана является непроницаемой для них, он называется SURFET. В присутствии определенных химических веществ на затворе таких транзисторов появляется потенциал, открывающий его канал проводимости, т. е. через него начинает течь ток, величина которого пропорциональна концентрации искомого компонента. Такие детекторы имеют небольшие размеры и низкое потребление энергии. Если в ХПТ используются энзимные мембраны, он называется ENFET, если ион-селективные — ISFET. Ион-селективные мембраны применяются для построения химических датчиков, а энзимные — биохимических. Энзимные мембраны, изготавливаются из полианилина (PANIE).

Составные датчики Составные датчики основаны на химических преобразованиях изменяющих состояние индикатора. Индикатором может быть изменение температуры, прозрачности, частоты колебаний и т. д. Для получения из индикатора электрического выходного сигнала требуется дополнительный преобразователь. К составным датчикам относятся: тепловые датчики, каталитические датчики Пелистера, оптические химические датчики, гравиметрические детекторы, биохимические датчики, энзимные датчики.

Биосенсоры Биосенсор — это устройство, включающее биологический чувствительный элемент, тесно связанный с преобразователем либо интегрированный с ним. Биосенсор служит для формирования цифрового электрического сигнала, пропорционального концентрации определенного химического соединения или ряда соединений. Эта связь двух противоположных дисциплин позволила объединить специфичность и чувствительность биологических систем с вычислительной мощью компьютера. Бурно развивающаяся в последние годы биосенсорная техника уже сейчас предлагает новые эффективные средства, которые предсказывают радикальное изменение нашего подхода к классическому химическому анализу.

Конструктивно биосенсор аналогичен остальным видам химических сенсоров и состоит из двух преобразователей (биохимического и физического) находящихся в тесном контакте друг с другом. При этом биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь позволяет зарегистрировать этот сигнал. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая к дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов.

В качестве трансдьюсеров могут быть использованы любые из упомянутых в данной статье: электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические, на поверхностных акустических волнах и интегрально-оптические.

Действие биосенсоров основано на важнейших химических реакциях живых организмов: реакции антитело/антиген, фермент/субстрат, рецептор/гормон. Такие реакции используются для получения высоко селективных и чувствительных биосенсоров на конкретные определяемые вещества.

Сенсорные нанопленки

К наноразмерным пленкам можно отнести пленки Ленгмюра—Блоджетт, получаемые переносом мономолекулярных слоев дифильных органических молекул с поверхности жидкой субфазы на твердую подложку, и самоорганизованные структуры, такие как монослои алкантиолов на поверхности золота, и структуры, получаемые методом полиионного наслаивания. Такие тонкие пленки широко применяются для модифицирования поверхности электродов в электрохимических, электри-ческих и пьезоэлектрических сенсорах, а также поверхности волноводов в оптических сенсорах.

Наибольшее развитие на данный момент получили электрические датчики на основе пленок из замещенных фталоцианинов металлов. Принцип действия таких сенсоров заключается в селективном связывании фталоцианинами молекул некоторых газов (NO2, NH3, Cl2) с образованием комплекса с переносом заряда, в котором роль донора выполняет фталоцианин, а роль акцептора — молекулы газа. Такое взаимодействие приводит к резкому изменению электрических характеристик пленок (электропроводности, встроенного заряда), что регистрируется с помощью системы электродов или полевого транзистора.

Ряд белков, липидов, ферментов, полисахаридов способны образовывать стабильные монослои, которые можно переносить на твердые поверхности в виде пленок Ленгмюра—Блоджетт. Водорастворимые компоненты чувствительного слоя биосенсоров могут включаться в пленочную матрицу за счет электростатических взаимодействий. Так, молекулы ДНК, растворенные в жидкой субфазе, адсорбируются монослоем октадециламина или катионного липида, что позволяет переносить их на поверхность сенсора и затем детектировать аналиты, используя методы поверхностного плазмонного резонанса или пьезокварцевого микровзвешивания. Имеется ряд других примеров. Так, смешанные монослои пенициллиназы и стеариновой кислоты наносили на затвор полевого транзистора с целью создания сенсора на пенициллин, а глюкозооксидазу включали в монослои хлорида октадецилтримети-ламмония, катионных липидов, полиэтиленимина или поливинилпиридина.

Заключение

Теоретически рассмотрены характеристики ионоселективных электродов, а также некоторые устройства химических и биологических сенсоров, конструктивно рассмотрены схема подключения ионоселективного полевого транзистора. Новейшие технологии и применение полевых транзисторов в датчиках дало толчок в современной жизни.

Наноматериалы и нанотехнологии стали использовать для создания химических сенсоров лишь в последнее десятилетие, а в 2003—2004 гг. началось быстрое развитие этого направления, о чем свидетельствует еже-годное увеличение публикаций в 1,5—1,8 раза. Связано это, видимо, с тем, что налажено промышленное производство наночастиц и нанотрубок и они стали более доступными широкому кругу аналитиков. Вырос парк приборов и устройств для реализации нанотехнологий и снизилась их стоимость. Все это привело к тому, что наносенсоры перешли из области «искусства» отдельных экспериментаторов и лабораторий в область повседневной практики аналитиков-исследователей. На наш взгляд, развитие наносенсоров поможет решить многие вопросы диагностики и мониторинга функционирования живых организмов и объектов окружающей среды, особенно в области малых концентраций определяемых веществ.

1. «Мир электроники» Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005.-592с. Дж. Фрайден

2. С. Н. Штыков, Т. Ю. Русанова «Наноматериалы и нанотехнологии в химических и биохимических сенсорах: возможности и области применения»

3. «Журнал радиоэлектроники» № 3,2009, А. А. Егоров. Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН.

4. И. А. Шевчук, Т. Н. Симонова «Ионоселективные электроды в анализе природных и промышленных объектов». Учебное пособие.

Донецк: «Норд — компьютер», 2007.-206с.

5. «Мир электроники» Вводный курс для инженеров и научных работников. Под ред. Эрика Удда.