Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
и поверхности транзистора и таким путем к появлению электролитических
шунтов вокруг мембраны. В таких случаях измерение электрохимического
потенциала на 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.
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.
Висящую сетку изготовляют, нанося полимерную пленку (полиимид или
фоторезист) на тонкую (1 мкм) прямоугольную алюминиевую пластинку.
Отверстия (квадраты со стороной 10 мкм) проделывают фотолитографически с
последующим травлением с помощью обычных в технологии изготовления
интегральных схем операций. Затем через эти отверстия алюминий
вытравливают из-под сетки, после чего образуется собственно полимерная
сетка, отстоящая от диэлектрика затвора примерно на 1 мкм.
Электрические и химические испытания ВС ИСПТ показали, что сетка
обеспечивает
Рис. 26.18. Схема ИСПТ с висящей сеткой до герметизации и осаждения
мембраны. 1-кремниевая подложка; 2-исток; 3-сток; 4-диэлектрик; 5-
полимерная висящая сетка (по данным [24]).
*Химически чувствительные полевые транзисторы
407
Рис. 26.19. Схема ИСПТ с висящей сеткой после герметизации и осаждения
мембраны. I - кремниевая подложка; 2-исток; 3-сток; 4-диэлектрик; 5 -
полимерная висящая сетка; 6-герметик; 7-ионоселективная мембрана (по
данным [24]).
необходимый эффект. Сетка не влияет на электрические характеристики
сенсора. Выходной сигнал двух наборов калийселективных ИСПТ, в одном из
которых не применялись никакие способы для улучшения адгезии мембраны, а
во втором использовались устройства типа ВС, контролировали в течение
нескольких недель. Уже через 24 ч пребывания в растворе в первом наборе
ИСПТ появились первые признаки плохой адгезии мембраны: после
ступенчатого изменения концентрации калия появил-
Рис. 26.20. Типичные градуировочные кривые калийселективных обычного ИСПТ
и ВС ИСПТ после недельного пребывания в растворе (по данным [24]).
Врееня, у
408
Глава 26
ся заметный дрейф потенциала. Напротив, ВС ИСПТ успешно эксплуатировали в
течение 60 дней без всякого дрейфа, пока они не вышли из строя по иным
причинам. На рис. 26.20 представлены типичные калибровочные кривые ИСПТ и
ВС ИСПТ после их недельного пребывания в растворе.
26.6. Химические чувствительные полевые транзисторы на основе ферментов
Рассмотренные в настоящей 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, позволяющих 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
