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Transistor isoftálico

Un transistor de efecto de campo sensible a iones ( ISFET ) es un transistor de efecto de campo utilizado para medir concentraciones de iones en solución; cuando la concentración de iones (como H + , consulte la escala de pH ) cambia, la corriente a través del transistor cambiará en consecuencia. Aquí, la solución se utiliza como electrodo de compuerta. Un voltaje entre el sustrato y las superficies de óxido surge debido a una vaina de iones . Es un tipo especial de MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor), [1] y comparte la misma estructura básica, pero con la compuerta de metal reemplazada por una membrana sensible a iones , una solución de electrolito y un electrodo de referencia . [2] Inventado en 1970, el ISFET fue el primer FET biosensor (BioFET).

Vista esquemática de un ISFET. La fuente y el drenador son los dos electrodos que se utilizan en un sistema FET. El flujo de electrones se produce en un canal entre el drenador y la fuente. El potencial de compuerta controla el flujo de corriente entre los dos electrodos.

La hidrólisis superficial de los grupos Si–OH de los materiales de compuerta varía en soluciones acuosas debido al valor del pH. Los materiales de compuerta típicos son SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 y Ta 2 O 5 .

El mecanismo responsable de la carga superficial del óxido se puede describir mediante el modelo de unión de sitios , que describe el equilibrio entre los sitios superficiales Si–OH y los iones H + en la solución. Los grupos hidroxilo que recubren una superficie de óxido como la de SiO2 pueden donar o aceptar un protón y, por lo tanto, comportarse de manera anfótera, como lo ilustran las siguientes reacciones ácido-base que ocurren en la interfaz óxido-electrolito:

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

La fuente y el drenaje de un ISFET están construidos como para un MOSFET . El electrodo de compuerta está separado del canal por una barrera sensible a los iones de hidrógeno y un espacio para permitir que la sustancia en prueba entre en contacto con la barrera sensible. El voltaje umbral de un ISFET depende del pH de la sustancia en contacto con su barrera sensible a los iones.

Limitaciones prácticas debido al electrodo de referencia

Un electrodo ISFET sensible a la concentración de H + puede utilizarse como un electrodo de vidrio convencional para medir el pH de una solución. Sin embargo, también requiere un electrodo de referencia para funcionar. Si el electrodo de referencia utilizado en contacto con la solución es del tipo clásico AgCl o Hg2Cl2 , sufrirá las mismas limitaciones que los electrodos de pH convencionales (potencial de unión, fuga de KCl y fuga de glicerol en el caso de un electrodo de gel). Un electrodo de referencia convencional también puede ser voluminoso y frágil. Un volumen demasiado grande limitado por un electrodo de referencia clásico también impide la miniaturización del electrodo ISFET, una característica obligatoria para algunos análisis clínicos biológicos o in vivo (sonda de pH de minicatéter desechable). La avería de un electrodo de referencia convencional también podría causar problemas en las mediciones en línea en la industria farmacéutica o alimentaria si productos muy valiosos se contaminan con restos de electrodos o compuestos químicos tóxicos en una etapa avanzada de producción y deben desecharse por razones de seguridad.

Por este motivo, desde hace más de 20 años se han dedicado muchos esfuerzos de investigación a los transistores de efecto de campo de referencia diminutos integrados en chip (REFET). Su principio de funcionamiento, o modo de operación, puede variar, dependiendo de los productores de electrodos y a menudo son propietarios y están protegidos por patentes. Las superficies modificadas con semiconductores necesarias para REFET tampoco están siempre en equilibrio termodinámico con la solución de prueba y pueden ser sensibles a especies disueltas agresivas o interferentes o a fenómenos de envejecimiento no bien caracterizados. Esto no es un problema real si el electrodo se puede recalibrar con frecuencia a intervalos de tiempo regulares y se mantiene fácilmente durante su vida útil. Sin embargo, esto puede ser un problema si el electrodo tiene que permanecer sumergido en línea durante un período prolongado de tiempo, o es inaccesible por restricciones particulares relacionadas con la naturaleza de las mediciones en sí (mediciones geoquímicas bajo presión de agua elevada en entornos hostiles o en condiciones anóxicas o reductoras fácilmente perturbadas por la entrada de oxígeno atmosférico o cambios de presión).

Un factor decisivo para los electrodos ISFET, al igual que para los electrodos de vidrio convencionales, sigue siendo el electrodo de referencia. A la hora de solucionar averías en los electrodos, a menudo la mayoría de los problemas se deben buscar desde el lado del electrodo de referencia.

Ruido de baja frecuencia del ISFET

En el caso de los sensores basados ​​en ISFET, el ruido de baja frecuencia es el más perjudicial para la relación señal/ruido general, ya que puede interferir con las señales biomédicas que abarcan el mismo dominio de frecuencia. [3] El ruido tiene principalmente tres fuentes. Las fuentes de ruido fuera del propio ISFET se denominan ruido externo, como la interferencia ambiental y el ruido del instrumento de los circuitos de lectura de terminales. El ruido intrínseco se refiere al que aparece en la parte sólida de un ISFET, que es causado principalmente por el atrapamiento y des-atrapamiento de portadores en la interfaz óxido/Si. Y el ruido extrínseco generalmente tiene su raíz en la interfaz líquido/óxido causado por el intercambio de iones en la interfaz líquido/óxido. Se han inventado muchos métodos para suprimir el ruido del ISFET. Por ejemplo, para suprimir el ruido externo, podemos integrar un transistor de unión bipolar con el ISFET para realizar de inmediato la amplificación interna de la corriente de drenaje. [4] Y para suprimir el ruido intrínseco podemos reemplazar la interfaz ruidosa óxido/Si por una compuerta de unión Schottky. [5]

Deriva del ISFET

La deriva del ISFET se refiere a la inestabilidad del voltaje umbral. Cuando se completa la respuesta intrínseca del pH-ISFET, el voltaje de salida del ISFET aún varía con el tiempo de manera gradual y monótona, y este comportamiento de deriva existe durante todo el proceso de medición. Ha sido uno de los obstáculos graves en el desarrollo de sensores biomédicos comercialmente viables basados ​​en ISFET. En particular, la alta precisión deseada para el monitoreo continuo del pH de la sangre impone requisitos estrictos sobre la tasa de deriva tolerable en los ISFET de pH [6] .

Las explicaciones propuestas para la deriva incluyen la migración de iones mejorada por el campo eléctrico dentro del aislante de la compuerta, así como condiciones de desequilibrio electroquímico en la interfaz de la solución aislante, inyección de electrones desde el electrolito en polarizaciones anódicas fuertes, creación de una carga espacial negativa dentro de las películas aislantes y efectos superficiales lentos [7] .


Historia

La base del ISFET es el MOSFET . El ingeniero holandés Piet Bergveld , de la Universidad de Twente, estudió el MOSFET y se dio cuenta de que podía adaptarse a un sensor para aplicaciones electroquímicas y biológicas . [8] [1] Esto llevó a la invención del ISFET por parte de Bergveld en 1970. [9] [8] Describió el ISFET como "un tipo especial de MOSFET con una compuerta a cierta distancia". [1] Fue el primer biosensor FET (BioFET). [10]

Los sensores ISFET podrían implementarse en circuitos integrados basados ​​en tecnología CMOS (MOS complementario). Los dispositivos ISFET se utilizan ampliamente en aplicaciones biomédicas , como la detección de hibridación de ADN , detección de biomarcadores en sangre , detección de anticuerpos , medición de glucosa y detección de pH . [2] El ISFET también es la base para BioFET posteriores, como el transistor de efecto de campo de ADN (DNAFET), [2] [9] utilizado en tecnología genética . [2]

Véase también

Referencias

  1. ^ abc Bergveld, Piet (octubre de 1985). "El impacto de los sensores basados ​​en MOSFET" (PDF) . Sensores y actuadores . 8 (2): 109–127. Bibcode :1985SeAc....8..109B. doi :10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874.
  2. ^ abcd Schöning, Michael J.; Poghossian, Arshak (10 de septiembre de 2002). "Avances recientes en transistores de efecto de campo biológicamente sensibles (BioFET)" (PDF) . Analyst . 127 (9): 1137–1151. Bibcode :2002Ana...127.1137S. doi :10.1039/B204444G. ISSN  1364-5528. PMID  12375833.
  3. ^ Bedner, Kristine; Guzenko, Vitaliy A.; Tarasov, Alexey; Wipf, Mathías; Agacharse, Ralph L.; Rigante, Sara; Brunner, enero; Fu, Wangyang; David, cristiano; Calame, Michel; Gobrecht, Jens (febrero de 2014). "Investigación de la fuente de ruido 1/f dominante en sensores de nanocables de silicio". Sensores y Actuadores B: Químicos . 191 : 270–275. doi :10.1016/j.snb.2013.09.112. ISSN  0925-4005.
  4. ^ Zhang, Da; Gao, Xindong; Chen, Si; Norström, Hans; Smith, Ulf; Solomon, Paul; Zhang, Shi-Li; Zhang, Zhen (25 de agosto de 2014). "Un amplificador bipolar controlado por iones para la detección de iones con señal mejorada y rendimiento de ruido mejorado". Applied Physics Letters . 105 (8): 082102. doi :10.1063/1.4894240. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Chen, Xi; Chen, Si; Hu, Qitao; Zhang, Shi-Li; Solomon, Paul; Zhang, Zhen (22 de febrero de 2019). "Reducción de ruido del dispositivo para sensores basados ​​en transistores de efecto de campo de nanocables de silicio mediante el uso de una compuerta de unión Schottky". Sensores ACS . 4 (2): 427–433. doi :10.1021/acssensors.8b01394. ISSN  2379-3694. PMID  30632733. S2CID  58624034.
  6. ^ Chou, Jung chuan (2022). "Preparación y estudio de las propiedades de deriva e histéresis del ISFET de compuerta de óxido de estaño mediante el método sol-gel". 86 (1): 58-62. doi :10.1016/S0925-4005(02)00147-8. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  7. ^ Jamasb, S (1997). "Un modelo basado en la física para la deriva en los ISFET de pH con compuerta Al/sub 2/O/sub 3". ieee (2): 1379-1382.
  8. ^ ab Bergveld, P. (enero de 1970). "Desarrollo de un dispositivo de estado sólido sensible a iones para mediciones neurofisiológicas". IEEE Transactions on Biomedical Engineering . BME-17 (1): 70–71. doi :10.1109/TBME.1970.4502688. PMID  5441220.
  9. ^ ab Chris Toumazou; Pantelis Georgiou (diciembre de 2011). "40 años de tecnología ISFET: desde la detección neuronal hasta la secuenciación de ADN". Electronics Letters . 47 : S7. doi :10.1049/el.2011.3231 . Consultado el 13 de mayo de 2016 .
  10. ^ Park, Jeho; Nguyen, Hoang Hiep; Woubit, Abdela; Kim, Moonil (2014). "Aplicaciones de los biosensores de tipo transistor de efecto de campo (FET)". Applied Science and Convergence Technology . 23 (2): 61–71. doi : 10.5757/ASCT.2014.23.2.61 . ISSN  2288-6559. S2CID  55557610.

Bibliografía

Lectura adicional