Биокаталитические мембранные сенсоры

Еще одна разновидность сенсоров представляет собой сочетание ионселективных электродов с биохимическими реакциями, катализируемыми ферментами, например, превращением мочевины в аммиак и диоксид углерода. Образующиеся продукты можно определять, в частности, при помощи газочувствительных сенсоров, описанных выше. С помощью биокаталитических сенсоров обычно определяют вещества, представляющие интерес для биологии и биохимии, в том числе достаточно сложные органические молекулы. В биосенсорах можно использовать простые в эксплуатации ионселективные

электроды с малым временем отклика. Применение биологических катализаторов — ферментов — обеспечивает высокоселективное протекание реакций в мягких, с точки зрения величин рН и температуры, условиях при минимальном расходе субстрата.

Чтобы предотвратить потери достаточно дорогого фермента, его иммобилизуют. Иммобилизацию можно осуществлять как непосредственно на поверхности мембраны, так и в специальном слое, покрывающем мембрану.

Примером субстрат-селективного мембранного электрода может служить электрод для определения мочевины на основе аммоний-селективного стеклянного электрода. Ион аммония является одним из продуктов реакции гидролиза мочевины, протекающей под действием фермента уреазы:

(7.5)

Уреазу иммобилизуют в полиакриламидном слое, нанесенном на поверхность аммоний-селективного электрода (рис. 7.16). К сожалению, исходный электрод недостаточно селективен к ионам аммония, поэтому при анализе биологических жидкостей заметно мешающее влияние ионов натрия и калия.

Рис. 7.16. Устройство био-каталитического мембранного сенсора на основе аммонии-селективого электрода и фермента уреазы

Вместо стеклянного электрода можно использовать газочувствительный электрод для определения аммиака описанного выше типа. Однако у такого электрода невелика чувствительность, поскольку оптимальные значения рН для протекания ферментативной реакции (около 7) и для определения аммиака (8—9) различаются.

Выпускаемые промышленностью тест-системы для массовых определений мочевины устроены как проточные реакторы с иммобилизованным ферментом. Раствор пробы пропускают через такой реактор, затем подщелачивают и определяют выделившийся аммиак при помощи газочувствительного датчика (см. табл. 7.6).

Сенсоры на основе полевых транзисторов

Все рассмотренные ранее типы потенциометрических сенсоров включают чувствительную мембрану, электрический контакт которой с остальными элементами цепи осуществляется посредством раствора электролита. Для усиления и регистрации электрического сигнала в этом случае необходимо отдельное устройство.

Однако возможно интегрирование сенсора и устройства для последующей обработки сигнала в одно целое, если использовать полевые транзисторы. Такие сенсоры, впервые разработанные Бергвель-дом, называются химическими или ионселективными полевыми транзисторами (ИСПТ). Основой ИСПТ служит известное микроэлектронное устройство — металлооксидный полевой транзистор (рис. 7.17). Он состоит из кремниевой подложки с р-проводимостью, контактирующей с двумя областями из кремния с n-проводимостью. Эти области называются истоком и стоком и посредством металлических контактов (напыленный алюминиевый слой) могут быть включены в электрическую цепь. Подложка, сток и исток покрыты слоем изолятора, диоксида кремния. У транзистора, изображенного на рис. 7.17, имеется еще один дополнительный защитный слой из нитрида кремния.

Рис. 7.17. Схема устройства металлооксидного полевого транзистора.

Если к истоку и стоку приложить напряжение uds, то между ними не потечет никакой ток, поскольку в любом случае один из р-n-переходов — между истоком и подложкой или подложкой и стоком — окажется запертым. Однако полевой транзистор содержит еще один электрод, называемый затвором. Он отделен от подложки изолирующим слоем из диоксида кремния.

Если приложить напряжение к затвору и подложке С/с?, то в канале (слое подложки между истоком и стоком) возникнет электрическое поле. Под его воздействием между истоком и стоком начнет протекать ток ids- Величина этого тока зависит от приложенного напряжения ug, причем вполне измеримый ток будет наблюдаться даже при очень малом значении ug- В то же время, поскольку затвор отделен от подложки слоем диэлектрика, ток между затвором и подложкой пренебрежимо мал. Полевые транзисторы очень удобны как высокоомные входы вольтметров для потенциометрических измерений и часто используются там в качестве усилителей. Зависимость силы тока ids ^B цепи исток-сток от напряжения uq называется вольтамперной характеристикой полевого транзистора.

Рис. 7.18. Сенсор на основе ионселективного полевого транзистора (ИСПТ).

Для создания ионсепективного электрода на основе полевого транзистора достаточно заменить слой SiC>2, отделяющий затвор от подложки, на соответствующую ионселективную мембрану (рис. 7.18). Контакт в этом случае осуществляется посредством обычного электрода сравнения. В присутствии иона, к которому чувствительна мембрана, ее потенциал изменяется. Напряжение ug, подаваемое на затвор, складывается с напряжением, возникающим на мембране. Это приводит к параллельному сдвигу вольтамперной характеристики транзистора на величину, равную изменению потенциала мембраны. В идеальном случае для однозарядного иона величина этого сдвига в соответствии с уравнением Нернста составляет 59 мВ при изменении концентрации иона в 10 раз (рис. 7.19).

На практике при потенциометрических измерениях с использованием ИСПТ обычно силу тока в цепи исток-сток поддерживают постоянной, изменяя для этого соответствующим образом напряжение на затворе. Это изменение напряжения линейно связано с логарифмом активности потенциала определяющего иона в соответствии с уравнением Нернста.

Рис. 7.19. Вольтамперные характеристики ИСПТ. Сила тока I_DS определяется суммой внешнего напряжения ug и потенциала мембраны

Таблица 7.7. Примеры химически селективных полевых транзисторов.

Впервые ИСПТ были применены для измерения рН. Для этого в качестве чувствительного слоя в принципе возможно использовать даже слой SisN4, уже имеющийся в стандартных полевых транзисторах, однако в этом случае чувствительность невелика. Теоретическая нернстовская величина наклона градуировочной зависимости достигается при использовании слоя Ta2Os- Другие примеры применения полевых транзисторов для определения различных веществ — ионов, газов, ферментов и антител — приведены в табл. 7.7. Принципиально возможно использование в полевых транзисторах ион-селективных мембран всех типов, применяющихся в обычных ИСЭ.

Это открывает возможности к созданию разнообразных микроэлектронных сенсоров.

Принцип действия ферментных сенсоров такой же, как и у рассмотренных ранее аналогичных сенсоров на основе обычных ИСЭ. Одним из примеров иммунных методов анализа может служить радиоиммунный анализ (раздел 3.6).

В ходе разработки особо миниатюрных сенсоров на базе полевых транзисторов порой возникает ряд неожиданных проблем. В элементах микроэлектронной техники некоторые позиции очень чувствительны к воздействию окружающей среды, и при изготовлении серийных изделий их герметично изолируют слоем пластмассы или керамики. Для создания сенсоров это покрытие бывает необходимо удалить. Однако в этом случае показания сенсора часто оказываются очень нестабильными, сильно зависящими от атмосферной влажности, колебаний температуры или воздействия различных видов излучения. Причина состоит в том, что при таких малых размерах начинают сказываться факторы, которые при работе с изделиями большего размера пренебрежимо малы. В частности, это могут быть эффекты, связанные с поверхностным натяжением, явлениями диффузии, ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, квантовомеха-ническими туннельными эффектами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: