Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
среднему между F, и J^ct. Эго напряжение измеряют с помощью операционного
усилителя А2. Выходное напряжение этого усилителя подается на электрод
сравнения и таким образом влияет на ток стока ХЧПТ. Отрицательный вход
усилителя А2 связан с заземлением через R4. При работе оба входных
напряжения должны быть равны друг другу, т. е. равны нулю, и,
следовательно, выходное напряжение Ах должно быть равно - Ksct. Далее,
поскольку выходное напряжение операционного усилителя Aj равно - то ID
должно быть равно Vsct/Rl. Это требование выполняет обратная связь с
операционным усилителем А2, который, изменяя выходное напряжение VG,
регулирует ток стока. Такм образом, операционный усилитель А2
поддерживает постоянный ток стока (ID = V^/R,) путем изменения напряжения
на электроде сравнения. Если потенциал на границе раздела
Vi
Рис. 26.14. Электрическая схема для измерения VG при постоянном токе
стока. А,, А2-операционные усилители; R2 = 1 кОм, К2 = R3 = 100 кОм, А4 =
20 кОм, R5 = 470 Ом, С = 10 пФ.
Химически чувствительные полевые транзисторы 401
мембрана - раствор изменяется, то схема с обратной связью компенсирует
это изменение и тем самым обеспечивает постоянство тока стока. Таким
путем можно непосредственно измерять изменение потенциала на границе
раздела.
Недостатком этого способа измерения является невозможность одновременного
контроля нескольких сенсоров, поскольку напряжение затвора каждого
сенсора необходимо регулировать независимо, а в растворе может находиться
только один электрод сравнения. Тем не менее обычно предпочитают именно
этот способ измерения, поскольку он позволяет непосредственно оценить
изменение потенциала на границе раздела мембрана-раствор.
26.5. Ионоселективный полевой транзистор
Ионоселективный полевой транзистор представляет собой сочетание
ионоселективного электрода (ИСЭ) с твердотельной электроникой. Применение
обычных ИСЭ затруднено из-за высокого уровня шума, обусловленного большим
электрическим сопротивлением ионоселективной мембраны; провода,
соединяющие электрод, который обладает большим общим сопротивлением, с
усилителем (обычно pH-метром с высоким общим входным сопротивлением),
выполняют функции "антенн", реагирующих на любые изменения локального
электромагнитного поля. Для снижения уровня шума обычно применяют
экранированный кабель минимальной длины. Однако даже при этом условии
часто приходится принимать дополнительные меры, ограничивающие возможные
помехи (например, для достижения стабильности показаний прибора оператору
обычно необходимо стоять без малейшего движения или вообще отойти
подальше от электрода и электроники). В ИСПТ эта проблема (сведение длины
проводов к минимуму) решается сама собой, поскольку здесь ионоселективная
мембрана непосредственно контактирует с затвором входного транзистора
усилителя с высоким общим сопротивлением; иными словами, длина проводов
равна нулю. Для обличения измерений транзистор отделяют от усилителя и
устанавливают на напоминающей электрод опоре, которую можно опустить в
изучаемый раствор. Выходной сигнал ПТ с низким общим сопротивлением
связывают с электроникой неэкра-нированными проводами любой длины; ИСПТ
преобразует общее сопротивление in situ и поэтому не подвержен влиянию
изменения локальных электромагнитных полей.
26.5.1. Теория
Способность ИСПТ реагировать на ионы обусловлена химически
чувствительными ионоселективными мембранами, покрывающими затвор
транзистора. В ИСПТ применяют те же мембраны, которые были ранее
разработаны для ИСЭ и описаны в работах [8-10]; в этих работах подробно
рассмотрены механизм действия и термодинамика ионоселективных мембран.
Селективность и чувствительность "хорошей" ионоселективной мембраны
обусловлена тем, что граница раздела раствор - мембрана характеризуется
очень низким энергетическим барьером для транспорта ионов одного типа и
сравнительно высоким энергетическим барьером для транспорта ионов всех
других типов. В электрохимии обладающие такими свойствами границы раздела
называют неполяризованными. Если концентрация ионов, преодолевающих при
транспорте через мембрану только невысокий энергетический барьер,
изменяется, то эти ионы диффундируют по новому градиенту концентрации
через границу раздела. Напротив, все другие ионы в силу высокого
энергетического барьера не могут проникнуть через границу раздела.
Например, если ионоселективная мембрана селективна по отношению к ионам
калия и если в растворе повысилась концентрация хлорида калия, то ионы
калия начнут
26-1145
402
Глава 26
перетекать из раствора в мембрану; напротив, хлорид-ионы неспособны
диффундировать в мембрану в силу высокого энергетического барьера. В
результате транспорта ионов одного заряда через границу раздела без
участия соответствующих противоионов изменяется потенциал границы
раздела; это изменение вынуждает ионы двигаться против градиента
концентрации. Изменение потенциала сначала замедляет, а затем
