ISFET
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 cambia la concentración de iones (como H + , consulte la escala de pH ), la corriente a través del transistor cambiará en consecuencia. Aquí, la solución se utiliza como electrodo de puerta. Surge un voltaje entre el sustrato y las superficies de óxido debido a una capa de iones . Es un tipo especial de MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal), [1] y comparte la misma estructura básica, pero con la puerta de metalreemplazado por una membrana sensible a los iones , una solución electrolítica y un electrodo de referencia . [2] Inventado en 1970, el ISFET fue el primer biosensor FET (BioFET).
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 puerta típicos son SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 y Ta 2 O 5 .
El mecanismo responsable de la carga de la superficie del óxido se puede describir mediante el modelo de enlace del sitio , que describe el equilibrio entre los sitios de la superficie 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 se ilustra en las siguientes reacciones ácido-base que ocurren en la interfase óxido-electrolito:
La fuente y el drenaje de un ISFET se construyen 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 de umbral de un ISFET depende del pH de la sustancia en contacto con su barrera sensible a iones.
Un electrodo ISFET sensible a la concentración de H + puede usarse 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 Hg 2 Cl 2 , sufrirá las mismas limitaciones que los electrodos de pH convencionales (potencial de unión, fuga de KCl y glicerol ).fuga en caso de 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 biológicos o clínicos in vivo (sonda de pH de minicatéter desechable). La avería de un electrodo de referencia convencional también podría generar problemas en las mediciones en línea en la industria farmacéutica o alimentaria si los productos de gran valor están contaminados con restos de electrodos o compuestos químicos tóxicos en una etapa de producción tardía y deben desecharse por motivos de seguridad.
Por esta razón, desde hace más de 20 años, muchos esfuerzos de investigación se han dedicado a los pequeños transistores de efecto de campo de referencia (REFET) integrados en el chip. 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 con semiconductores requeridas para REFET tampoco están siempre 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 a intervalos de tiempo regulares y se mantiene fácilmente durante su vida útil. Sin embargo, esto puede ser un problema si el electrodo debe permanecer sumergido en línea durante un período prolongado de tiempo.
