Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
несколькими ферментными катализаторами на одном кристалле, что позволит
одновременно определять несколько веществ или одно вещество по нескольким
каналам (для повышения надежности результатов). Так, Сиббальд и другие
[8] описали ХЧПТ с четырьмя детекторами для одновременного определения
калия, натрия, кальция и ионов водорода. Другим преимуществом
полупроводниковых сенсоров является низкое общее сопротивление их
соединений с электронными устройствами, что обеспечивает меньшую
чувствительность выходного сигнала к электрическим помехам.
Применение газовых детекторов для контроля биохимических реакций,
протекающих в растворе, интересно и с той точки зрения, что в газовой
фазе определяемое вещество имеет относительно более высокую концентрацию,
чем в растворе, так как детектор можно поместить в сравнительно небольшой
объем газа. Действительно, чувствительность по отношению к NH4 в водном
растворе порядка 0,1 мкМ легко достигается с помощью газового сенсора с
чувствительностью всего лишь около 10 4% NH3 (газ). Аналогичные
результаты получены и для других сенсоров.
Ниже будут описаны теория и основные проблемы изготовления
полупроводниковых сенсоров, чувствительных к водороду и аммиаку, способы
измерения с помощью таких сенсоров, а также конкретные примеры,
включающие гидрогеназу как водород-образующую систему, системы с
рециркуляцией, различные генерирующие аммиак системы, в том числе уреазу,
креатинкиназу и деаминазу аминокислот.
27.2. Физические основы
Чувствительные к водороду устройства типа PdMOU изготовляют напылением
непористой палладиевой пленки толщиной 100-200 нм на кристалл кремния
/мина с выращенным термически слоем диоксида кремния толщиной 100 нм
(рис. 27.1). Сенсоры можно изготовлять как конденсаторы с алюминиевой
пленкой в качестве неподвижного контакта или как полевые транзисторы
(рис. 27.2). В последнем случае в гот же кристалл включают регулируемые
обогревающие элементы (рис. 27.3). Конденсаторы, отличающиеся простотой
изготовления и поэтому чаще всего применяющиеся в исследовательских
работах (например, при изучении эффектов различных пленок), при работе
помещают на металлическую пластину с регулируемой температурой. Размер
конденсаторов равен приблизительно 1 мм2.
Реакции, лежащие в основе чувствительности устройств на основе PdMOU к
Воздух
Н2
i<V
н,о-
н"
200мм 700HJYi
_
Pd S1O2 p-S i
- СнГ )+
НЬ -(.Hi а. ~~ Нь j+
0 -(.Hi .'+
" нь 'Л
" "(Н* / +¦
Рис. 27.1. Схематическое изображение химических реакций, происходящих на
границе раздела с палладием.
Биосенсоры на основе полупроводниковых газовых сенсоров
427
Рис. 27.2. Слева: схема
РдМОЛПТ и его вольт-амперные характеристики. Справа: схема PdMOIl-кон-
денсатора и соответствующая кривая зависимости С от V. Как показано
штрих-пунктирными линиями, в результате взаимодействия систем с водородом
кривые смещаются влево.
Vn
Fd
1 SK\ 1
п 1 \Л-
р-Si
7d
Pd МОП ПТ
Pd
_____________
/5-Si
J
Pd МОП- конденсатор
водороду, происходят на поверхности и внутри палладиевого слоя. Как
показано на рис. 27.1, на палладиевой поверхности молекулы водорода
диссоциируют на атомы; адсорбированные атомы водорода частично
диффундируют в палладиевый слой, где под воздействием электрического поля
они поляризуются. Таким образом получается дипольный слой, который
вызывает падение напряженности электрического поля, в результате чего /D-
Кс-характеристики транзистора или кривая зависимости С or V
Активный затвор
Рис. 27.3. Кристалл с микросхемой (2,5 х 2,5 мм), содержащий PdMOTlTlT с
встроенным контролем температуры. Кристалл можно монтировать зю корпусе
типа ТО-18.
428
Глава 27
конденсатора смещаются вдоль оси напряжения (см. рис. 27.2). Зависимость
падения напряжения от парциального давления водорода описывается
уравнением
AF= С, (Р"2)0'5 при РН2 ^ 50 (27.1)
Здесь Ct- постоянная, зависящая от свойств палладиевого слоя, его
толщины, величины активной площади и т.д. Обычно С1 равна примерно 27-104
мВ/%. Атомы водорода выделяются из палладиевого слоя в результате
рекомбинации до молекул водорода или соединения с кислородом (если
последний присутствует в системе) с образованием воды. Следовательно,
чувствительность сенсора в отсутствие кислорода (около 0,01-10"4%) должна
быть значительно более высокой, чем в присутствии кислорода (около 1 •
10"4%). Наличие кислорода значительно сокращает и время восстановления,
хотя его можно уменьшить и другим способом, поддерживая рабочую
температуру сенсора на уровне 100-150 °С (обычная рабочая температура
РсИУЮППТ). Такая температура способствует также тому, что молекулы воды
не адсорбируются на поверхности сенсора. При низкой концентрации водорода
время отклика сенсора равно примерно 1 мин. Устройства типа PdMOU
детально описаны Лундстремом [9].
27.2.1. Повышение чувствительности сенсоров к газообразному аммиаку
Чувствительность обычных устройств типа РйМОП к аммиаку мала. Как
