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ISFET

Un transistor de efecto de campo sensible a iones ( ISFET ) es un transistor de efecto de campo que se utiliza para medir concentraciones de iones en solución; cuando la concentración de iones (como H + , ver escala de pH ) cambia, la corriente a través del transistor cambiará en consecuencia. En este caso, la solución se utiliza como electrodo de puerta. Un voltaje entre el sustrato y las superficies de óxido surge debido a una envoltura iónica . Es un tipo especial de MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico), [1] y comparte la misma estructura básica, pero con la puerta metálica reemplazada por una membrana sensible a iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . [2] Inventado en 1970, el ISFET fue el primer biosensor FET (BioFET).

La vista esquemática de un ISFET. La fuente y el drenaje son los dos electrodos que se utilizan en un sistema FET. El flujo de electrones tiene lugar en un canal entre el drenaje y la fuente. El potencial de puerta controla el flujo de corriente entre los dos electrodos.

La hidrólisis superficial de los grupos Si-OH de los materiales de la puerta 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 puede describirse 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 del SiO 2 pueden donar o aceptar un protón y, por lo tanto, comportarse de forma 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 puerta está separado del canal por una barrera que es sensible a los iones de hidrógeno y un espacio para permitir que la sustancia bajo 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.

Se puede utilizar un electrodo ISFET sensible a la concentración de H + como 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 Hg 2 Cl 2 sufrirá las mismas limitaciones que los electrodos de pH convencionales (potencial de unión, fuga de KCl y fuga de glicerol en caso de electrodo de gel). Un electrodo de referencia convencional también puede resultar 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 biológicos o clínicos in vivo (sonda de pH con minicatéter desechable). La rotura de un electrodo de referencia convencional también podría generar problemas en las mediciones en línea en la industria farmacéutica o alimentaria si productos de gran valor se contaminan con restos de electrodos o compuestos químicos tóxicos en una etapa tardía de producción y deben desecharse por motivos de seguridad.

Por esta razón, desde hace más de 20 años se han dedicado muchos esfuerzos de investigación a los pequeños transistores de efecto de campo de referencia (REFET) integrados en chips. Su principio de funcionamiento, o modo de funcionamiento, puede variar según los fabricantes de electrodos y, a menudo, son propietarios y están protegidos por patentes. Las superficies modificadas de semiconductores requeridas para REFET tampoco siempre están en equilibrio termodinámico con la solución de prueba y pueden ser sensibles a especies disueltas agresivas o que interfieren o a fenómenos de envejecimiento no bien caracterizados. Esto no es un problema real si el electrodo se puede recalibrar con frecuencia en 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 ambientes hostiles o bajo condiciones anóxicas). o condiciones reductoras que se alteran fácilmente por la entrada de oxígeno atmosférico o cambios de presión).

Por lo tanto, un factor decisivo para los electrodos ISFET, al igual que para los electrodos de vidrio convencionales, sigue siendo el electrodo de referencia. Al solucionar problemas de mal funcionamiento del electrodo, a menudo, la mayoría de los problemas deben buscarse desde el lado del electrodo de referencia.

Ruido de baja frecuencia de ISFET

Para los sensores basados ​​en ISFET, el ruido de baja frecuencia es más perjudicial para la SNR general, ya que puede interferir con 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 de los instrumentos provenientes de los circuitos de lectura de los terminales. El ruido intrínseco se refiere al que aparece en la parte sólida de un ISFET, que es causado principalmente por el atrapamiento y desenganche de portadores en la interfaz Óxido/Si. Y el ruido extrínseco generalmente tiene su origen en la interfaz líquido/óxido causado por el intercambio iónico en la interfaz líquido/óxido. Se inventan muchos métodos para suprimir el ruido de ISFET. Por ejemplo, para suprimir el ruido externo, podemos integrar un transistor de unión bipolar con ISFET para realizar de inmediato la amplificación interna de la corriente de drenaje. [4] Y para suprimir el ruido intrínseco podemos reemplazar la ruidosa interfaz óxido/Si por una puerta de unión Schottky. [5]

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 . [6] [1] Esto llevó a Bergveld a la invención del ISFET en 1970. [7] [6] Describió el ISFET como "un tipo especial de MOSFET con una puerta a cierta distancia". [1] Fue el primer biosensor FET (BioFET). [8]

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 de BioFET posteriores, como el transistor de efecto de campo de ADN (DNAFET), [2] [7] utilizado en tecnología genética . [2]

Ver 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. Código Bib : 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) . Analista . 127 (9): 1137-1151. Código bibliográfico : 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, papá; Gao, Xindong; Chen, Si; Norstrom, Hans; Smith, Ulf; Salomón, Pablo; Zhang, Shi-Li; Zhang, Zhen (25 de agosto de 2014). "Un amplificador bipolar activado por iones para detección de iones con señal mejorada y rendimiento de ruido mejorado". Letras de Física Aplicada . 105 (8): 082102. doi : 10.1063/1.4894240. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Chen, Xi; Chen, Si; Hu, Qitao; Zhang, Shi-Li; Salomón, Pablo; 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 puerta de unión Schottky". Sensores ACS . 4 (2): 427–433. doi : 10.1021/acssensors.8b01394. ISSN  2379-3694. PMID  30632733. S2CID  58624034.
  6. ^ ab Bergveld, P. (enero de 1970). "Desarrollo de un dispositivo de estado sólido sensible a iones para mediciones neurofisiológicas". Transacciones IEEE sobre ingeniería biomédica . BME-17 (1): 70–71. doi :10.1109/TBME.1970.4502688. PMID  5441220.
  7. ^ ab Chris Toumazou; Pantelis Georgiou (diciembre de 2011). "40 años de tecnología ISFET: de la detección neuronal a la secuenciación del ADN". Letras de Electrónica . 47 : S7. doi : 10.1049/el.2011.3231 . Consultado el 13 de mayo de 2016 .
  8. ^ Parque, Jeho; Nguyen, Hoang Hiep; Woubit, Abdela; Kim, Moonil (2014). "Aplicaciones de biosensores de tipo transistor de efecto de campo (FET)". Ciencia Aplicada y Tecnología de Convergencia . 23 (2): 61–71. doi : 10.5757/ASCT.2014.23.2.61 . ISSN  2288-6559. S2CID  55557610.

Bibliografía

Otras lecturas