Мембраны для ИСПТ

Измерения с помощью ИСПТ выполняют одним из двух способов. В первом способе напряжение Ц, остается постоянным и измеряют ток стока /с, а во втором путем изменения Л поддерживают постоянным /с. При изменении потенциала на границе раздела мембрана/раствор изменяется напряжение на электроде сравнения. Для компенсации этого изменения и сохранения постоянства тока стока изменяют напряжение Л- Таким путем можно непосредственно измерить изменение потенциала на границе раздела. Обычно используют схему, которая действует по принципу обратной связи (см. раздел 1.3.2). Из зависимости находят активность ио- [c.219]

Твердотельные ионоселективные мембраны привлекают внимание прежде всего потому, что их можно осаждать на ИСПТ с помощью обычных операций, применяющихся нри 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. [c.403]

Обычно используют кристалл с двумя затворами, причем один из ПТ является стандартом по отношению к ФПТ. На стандартный ИСПТ нанесена мембрана, не содержащая фермента, поэтому по чувствительности к pH и температуре он не отличается от ФПТ. Поскольку ФПТ и стандартный ПТ реагируют практически одинаково на изменение потенциала раствора, то необходимость в специальном электроде сравнения отпадает обычно достаточно проволочного контакта с раствором. Таким образом, если измеряют разность между токами двух стоков, то результаты измерений (выходной сигнал) не зависят от pH раствора, температуры или флуктуаций тока (фона) регистрироваться будут только изменения pH внутри гелевой мембраны ФПТ, обусловленные ферментативной реакцией. [c.410]

Ионоселективные электроды представляют собой электрохимические датчики, которые содержат мембрану, состоящую, как правило, из слоя твердого электролита или из раствора электролита в растворителе, не смешивающемся с водой. Такая мембрана с обеих сторон (иногда только с одной) находится в контакте с водным раствором электролита. Ионоселективный электрод имеет обычно внутренний электрод сравнения, вместо которого изредка используют просто металлический контакт или в случае ионоселективного полевого транзистора (ИСПТ) изолирующий или полупроводниковый слой. Чтобы понять, что же происходит на границе раздела между мембраной и остальными фазами, с которыми она контактирует, необходимо прежде всего определить различные виды электрических потенциалов или разности потенциалов, возникающих в таких мембранных системах. [c.19]

Описанный полевой транзистор можно трансформировать в ИСПТ, заменив металлический затвор ионоселективной мембраной. В этом случае величина f/ будет зависеть не только от i/n и потенциала электрода сравнения, но и от потенциала на границе раздела раствор/мембрана, С помощью мембран, потенциал которых зависит от концентрации ионов в растворе, ИСПТ приобретают химическую селективность, В ИСПТ применяют те же мембраны, которые разработаны для ИСЭ и описаны выше. Из неорганических материалов наилучшими х актеристиками обладают АЬОз и ТагОз, обеспечивающие наклон зависимости 7, от pH, равный 52-58 мВ/рН при времени срабатывания не более нескольких секунд, В настоящее время ИСПТ для измерения pH коммерчески доступны. Разработаны ИСПТ на основе бромида серебра, селективные к бромид-ионам, алюмосиликатного и боросиликатного [c.218]

Из полимерных мембран в сочетании с ИСПТ детальнее других изучены мембраны, чувствительные к ионам калия и кальция. Описаны также ИСПТ с гетерогенными полимерными мембранами на основе солей серебра, чувствительные к хлорид-, иодид- и цианид-ионам. Хлорид-селективные мембраны изготавливают из смеси хлорида и сульфида серебра, а мембраны, чувствительные к ио-дид-ионам, из смеси иодида и сульфида серебра в полифториро-ванном фосфазине. [c.219]

Рассмотрим теперь особенности ИСЭ на полевых транзисторах, т. е. так называемых ИСПТ, свойства которых описаны в [148, 149]. Механизм генерации потенциала на границе мембрана — раствор остается практически тем же, что и для ИСЭ, но достоинствами ИСПТ являются возможность их изготовления в микроминиатюрном исполнении и способ считывания информации по току. Однако к настоящему времени установлено, что стабильность работы ИСПТ требует наличия не менее стабильного внешнего электрода сравнения (ЭС). Миниатюризация ИСПТ, сопровождаемая такой же миниатюризацией ЭС, должна расширить области применения ионометрии. Количественная сторона статики и динамики ИСПТ, так же как и теория ИСЭ, еще не разработана. Недостатками ИСПТ являются заметная светочувстви- [c.281]

Рис. 8.25. Схема электролитической ячейки с ИСПТ. 1 — электрод сравнения 2 — источник напряжения на затворе транзистора и в цепи исток — сток 3 — кремниевая основа транзистора 4 — исток и сток 5 — измерительный прибор б —диэлектрик (ЗЮг, 31зК4) 7 — гидроизоляция 8 — мембрана или чувствительный элемент 9 — ячейка с раствором пробы

Способность ИСПТ реагировать на ионы обусловлена химически чувствительными [оселективными мембранами, покрывающими затвор транзистора. В ИСПТ при-шют те же мембраны, которые были ранее разработаны для ИСЭ и описаны в ютах [8-10] в этих работах подробно рассмотрены механизм действия и термо-самика ионоселективных мембран. [c.401]

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 тина ионоселективных мембран, применяющихся в ИСПТ. [c.402]

Твердотельные мембраны. В первом ИСПТ, описанном Бергвельдом [И], [c.402]

Полимерные мембраны. В ИСЭ и ИСПТ применяют одни и те же юлимерные мембраны. Как правило, мембрану, разработанную специально для ИСЭ, vIoжнo непосредственно использовать и в ИСПТ, поэтому во избежание повторений в )том разделе мы не будем рассматривать все типы ионоселективных мембран. [c.403]

Эксплуатация ИСПТ с полимерными ионоселективными мембранами часто затрудняется из-за низкой адгезии мембраны к поверхности сенсора. В обычных ИСЭ мембрана механически укрепляется на одном конце трубки и вопрос об адгезии вообще не возникает. Напротив, в ИСПТ мембрана наносится на поверхность затвора сенсора и должна удерживаться на этой поверхности в силу физической или химической адгезии. В различных лабораториях по-разному пытались решить эту проблему, например путем нанесения мембраны на большую площадь сенсора или с помощью поливинилхлоридного якорного кольца, укрепленного в герметике по периметру затвора [23], или посредством изменения химического состава мембраны даже в ущерб ее электрохимическим характеристикам. [c.406]

Низкая адгезия мембраны приводит к ее постепенному отделению от герметика и поверхности транзистора и таким путем к появлению электролитических шунтов вокруг мембраны. В таких случаях измерение электрохимического потенциала па границе раздела мембрана - раствор дает непредсказуемые результаты. Любое механическое воздействие на мембрану, например при сильном потоке электролита или в ходе экспериментов in vivo, когда устройство приходится погружать в биологические ткани, обычно приводит к полному отделению мембраны от ИСПТ. [c.406]

В качестве одного из путей решения проблемы адгезии мембран Блэкберн и Джаната [24] предложили ИСПТ с висящей сеткой (ВС ИСПТ). Висящая сетка представляет собой трехмерную структуру на поверхности ПТ над затвором сенсора и служит для закрепления мембраны. Как схематично показано на рис. 26.18, висящая сетка-это полимерная пленка, закрепленная на некотором расстоянии от затвора и имеющая в области над последним множество отверстий. Когда раствор материала полимерной мембраны наносят на поверхность раствора, он проникает под сетку, вытесняя воздух, а также заполняет пространство над сеткой. Как показано на рис. 26.19, после испарения растворителя сетка становится неотъемлемой частью мембраны, прочно удерживающей ее на поверхности. [c.406]

Рассмотренные в настояшей книге (гл. 1 гл. 9 и далее) и в недавно опубликованном обзоре [25] ферментные электроды привлекли большое внимание. Ферментные электроды представляют собой один из немногих инструментов, позволяюших в настоящее время определять биологические молекулы электрохимическими методами. Важнейшим элементом соответствующих сенсоров является тонкая проницаемая мембрана, в которую включен фермент и которая располагается на поверхности, например ИСЭ. В результате реакции фермента с субстратом образуются продукты или расходуется субстрат концентрации продуктов или субстрата можно контролировать с помощью этого ИСЭ. Применение для контроля концентраций ИСПТ вместо ИСЭ обеспечивает ряд определенных преимуществ. Во-первых, полевой транзистор на основе ферментов (ФПТ) выгодно отличается от ферментного ИСЭ тем же, чем любой ИСПТ от соответствующего ИСЭ. Во-вторых, миниатюрность и соответствующая геометрия ИСПТ способствуют сокращению необходимого количества фермента до минимума, что особенно важно в случае дорогостоящих ферментов. В-третьих, в описанной Карасом и другими [26] конструкции сенсора удачно решены задачи регулирования толщины мембраны и ее адгезии к поверхности ФПТ поэтому отпадает необходимость в каких бы то ни было способах крепления мембраны, как правило, обязательных в обычных ферментных электродах. В-четвертых, ФПТ обычно имеет несколько транзисторов на одном кристалле поэтому второй транзистор можно использовать в качестве стандарта, откликающегося на любые электрические, химические и физические стимулы, но не на ферментативную реакцию. Следовательно, математическая разность между сигналами двух ПТ содержит только необходимую информацию о концентрации определяемого вещества при существенно сниженном уровне фона. [c.408]

Выбор именно этих ферментных систем был обусловлен тем обстоятельством, что ИСПТ с рН-чувствительной мембраной не нуждаются в полимерной ионоселективной мембране функции последней выполняет диэлектрик 81зК4. Ферментсодержащие гелевые мембраны обычно получают иммобилизацией фермента в матрице из сщитых поперечными связями альбумина, поли(акриламида) или триацетилцеллюлозы. [c.410]

Из различных ХЧПТ наибольшие успехи достигнуты в области ионоселективных ПТ. Отчасти это обусловлено доступностью ионоселективных мембран, широко изучавшихся с точки зрения их применения в ИСЭ. ИСПТ следует рассматривать как дополнение к ИСЭ, причем в ряде конкретных областей применения ИСПТ может иметь определенные преимущества перед ИСЭ. Преобразование общего сопротивления in situ позволяет обходиться без громоздких экранированных кабелей нри низком уровне шума. Это преимущество сенсоров на основе ИСПТ, а также их миниатюрность делают ИСПТ идеальным инструментом для экспериментов in vivo, нанример для контроля концентраций электролитов в организме, когда важную роль играют размеры как самого сенсора, так и соединяющих кабелей. Твердотельная структура сенсоров ИСПТ (в особенности отсутствие необходимого для ИСЭ внутреннего раствора) делает ИСПТ небольшим, легким и достаточно прочным. Поскольку размер каждого ПТ на поверхности кристалла может быть очень малым, то принципиально возможно создание сенсоров, способных одновременно определять несколько различных веществ. Для этого, однако, необходимо разработать метод осаждения мембраны, позволяющий надежно нанести на один кристалл с микросхемой несколько небольших мембран, располагающихся очень близко одна от другой. Поскольку сенсоры изготовляют на полупроводниковой подложке, то не представляет затруднений создание дополнительной схемы обработки сигнала, выполняющей, например, мультиплексирование или аналого-цифровое преобразование сигнала. Наконец, поскольку микросхемы производятся тысячами одновременно на одной кремниевой пластине, их стоимость в принципе может быть очень малой. Снижению цены и трудоемкости производства ИСПТ препятствует отсутствие автоматических способов осаждения мембраны и герметизации. [c.422]

Необходимо остановиться еще на двух терминах. К настоящему времени уже довольно хорошо исследованы устройства, представляющие собой полевой транзистор с ионочувствительной мембраной, так называемые ионоселективные полевые транзисторы (ИСПТ). Более того, так как нет каких-либо ограничений для нанесения на поверхность затвора любой ионочувствительной мембраны, то, по-видимому, можно рассматривать ИСПТ как ионоселективные электроды следующего, третьего поколения (если при этом считать классические электроды с внутренним раствором и электродом сравнения электродами первого, а электроды с твердым токоотводом — второго поколения). Развитие исследований в этой области позволяет надеяться на создание дешевых многофункциональных датчиков с произвольным набором функций. [c.8]

В отличие от ИСЭ, применяемых в потенциометрии, для ИСПТ измеряемой величиной является не напряжение, а потребляемый ток. Поскольку зависимость потребляемого тока от вольтовой разности потенциалов имеет лишь приближенно линейный вид, а эта разность потенциалов, являясь внешним потенциалом (см. с. 20), в свою очередь зависит от свойств мембранной поверхности (например, от наличия адсорбированных поверхностно-активных веществ), для измерения активности ионов ИСПТ необходимо тш.ательно калибровать. Время отклика ИСПТ определяется свойствами мембраны и не аависит от природы твердофазных компонентов сенсора [162]. [c.90]

В работах [90, 105, 116, 179] показано, что гидролизован-пая поверхность изолятора из нитрида кремния функционирует как рН-чувствительная мембрана. На способности этой мембраны, покрытой слоем иммобилизированной пенициллиназы, превращать пенициллин в анион пенициллановой кислоты с выделением анионов водорода основано действие ИСПТ, чувствительного к пенициллину [24]. рН-Селективные ИСПТ другой разновидности имеют мембранные затворы, изготовленные из ТагОз 3] или из соответствующего ионоселективного стекла [39]. ИСПТ с затвором из алюмо- или боросиликатного стекла обладают селективным откликом на ионы натрия. Используются также ИСПТ, чувствительные к галогенид-ионам [22, 153, 178], ионам калия [105, 115, 130] и кальция [90, 105].. [c.90]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология