Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
останавливает результирующий перенос ионов через границу раздела.
Следовательно, изменение концентрации данного иона приводит к изменению
потенциала границы раздела Аф so] rncm, которое можно измерить с помощью
ИСПТ. Анализ термодинамики системы помогает выявить взаимосвязь между
изменением потенциала и концентрацией иона.
Если ион i свободно пересекает границу раздела между раствором и
мембраной, то в состоянии равновесия электрохимические потенциалы иона в
двух фазах Д,- sol и Д| пкт должны быть равны:
Д/.sol Дй.тет • (26.19)
Электрохимический потенциал иона i по определению равен
Д,' = Ф + ^Фс (26.20)
Здесь z; - заряд иона; F~ постоянная Фарадея; ф;-потенциал фазы, в
которой су- ;
ществуют ионы г; ц, химический потенциал ионов г, равный \
ц(=ЛГ1п(а() + цР. (26.21) |
где R -газовая постоянная, Г-абсолютная температура, ц? - стандартный
химический I
потенциал иона г; а;-его активность (в разбавленных растворах
приблизительно j
равная концентрации). Записав уравнения (26.20) и (26.21) для ионов / в
мембране и в ;
растворе и подставив полученные выражения в уравнение (26.19), получим
уравнение ¦
Нернста, описывающее взаимосвязь между активностью иона и потенциалом
границы ;
раздела:
RT I
Е = ф501~тст = ?° р In (<2;) , (26.22) 1
Zr |
где at - активность иона в растворе; активность иона в мембране обычно
считается I
большой и постоянной и поэтому учитывается в Е°. Теперь, подставив
уравнение (26.22) в уравнения (26.15) и (26.16), получим выражения для
ионоселективного отклика ИСПТ на изменение активности иона /:
ТТ.у'Т С DT' Т/ I
1" = ^22 j VG - V* - ЕгсС -Е°+- In (я;) - VD, VD<VD sat (26.23)
И ¦
Id = ^7" {V° -V*-?rcf-^ + Jp In (a;)|2, VD > VD sat (26.24)
26.5.2. Ионоселективные мембраны для ИСПТ
Как уже отмечалось выше, в ИСПТ обычно применяют те же мембраны, что и в
ИСЭ. По сути дела, сенсоры этих двух типов различаются лишь
электрическими схемами для измерения изменений потенциала на границе
раздела раствор - мембрана. Идентичны и механизмы возникновения
потенциала в ИСПТ и ИСЭ. Ниже рассматриваются три типа ионоселективных
мембран, применяющихся в ИСПТ.
26.5.2.1. Твердотельные мембраны. В первом ИСПТ, описанном Бергвельдом
[11],
Химически чувствительные полевые транзисторы
403
была применена твердотельная pH-чувствительная мембрана из Si02. Вскоре
после этого Мацуо и другие [12] описали ИСПТ с твердотельной мембраной из
нитрида кремния (Si3N4). В последующие годы, однако, Si02 практически
перестали применять в качестве pH-чувствительного материала для
изготовления мембран ИСПТ, поскольку он легко гидратируется и теряет
изоляционные свойства, необходимые для функционирования ХЧПТ. Изучались
также твердотельные pH-чувствительные мембраны, изготовленные из А1203
[13], Zr02 и Та205 [14].
Твердотельные ионоселективные мембраны привлекают внимание прежде всего
потому, что их можно осаждать на ИСПТ с помощью обычных операций,
применяющихся при изготовлении интегральных схем. Кроме того, такие
мембраны можно осаждать на всю пластину до ее разрезания на отдельные
микросхемы, что значительно сокращает трудозатраты при производстве
сенсоров и снижает стоимость последних.
Из указанных неорганических материалов, как оказалось, наилучшими
характеристиками обладают А12Оэ и Та205, которые обеспечивают наклон
зависимости от pH, равный 52-58 мВ/pH, время 95°/о-ного срабатывания не
более нескольких секунд, почти пренебрежимо малый дрейф и очень небольшой
гистерезис [13, 14].
В разработке твердотельных мембран, чувствительных по отношению к другим
ионам, достигнуты лишь скромные успехи. К сожалению, многие материалы,
широко применяющиеся в ИСЭ, не удается осадить с помощью обычных операций
изготовления интегральных схем и таким образом изучить возможность их
использования в ИСПТ. Тем не менее Бак и Хаклмен [15] разработали
твердотельную мембрану из бромида серебра, селективную по отношению к
бромид-ионам, а Эсами и Мацуо [16]-ионоселективные твердотельные мембраны
из алюмосиликатного или боросиликатного стекла. Последние обладали
линейным откликом на ионы натрия с наклоном около 55 мВ/pNa в диапазоне
pNa 0-3 и обеспечивали измеримый отклик вплоть до pNa 5.
26.5.2.2. Полимерные мембраны. В ИСЭ и ИСПТ применяют одни и те же
полимерные мембраны. Как правило, мембрану, разработанную специально для
ИСЭ, можно непосредственно использовать и в ИСПТ, поэтому во избежание
повторений в этом разделе мы не будем рассматривать все типы
ионоселективных мембран.
Полимерные мембраны обычно наносят на область затвора ИСПТ в виде
раствора в летучем растворителе с последующим упариванием. Обычно эту
операцию приходится повторять несколько раз; только таким путем удается
создать мембрану, лишенную микроотверстий и имеющую толщину более 50 мкм.
Образующиеся случайно микроотверстия после заполнения электролитом
превращаются в шунты, замыкающие электрическую цепь и фактически
выводящие ИСПТ из строя. Из различных ионоселективных мембран в сочетании
