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ISFET

离子敏感场效应晶体管,又称ISFET ( 英語:ion-sensitive field-effect transistor ),是用于测量溶液中离子浓度的场效应晶体管 。当离子浓度(例如H+ ,参见pH值 )变化时,流经晶体管的电流也会相应变化。 在这里,溶液被用作栅极。 基板和氧化物表面之间的电压由于离子层而产生。 它与MOSFET具有相同的基本结构,是一种特殊类型的MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管) [1] ,但金属栅极被离子敏感电解质溶液和参比电极代替。 [2] ISFET于1970年发明,是第一款生物传感器FET(BioFET)。

ISFET的示意图。 源极和漏极是FET系统中使用的两个电极。 电子流发生在漏极和源极之间的通道中。 栅极电势控制两个电极之间的电流流动。

PH值影响栅极材料的Si–OH基团在水溶液中的界面 水解性 。典型的栅极材料有 SiO2, Si3N4, Al2O3Ta2O5.

可以通过位点结合模型描述负责氧化物表面电荷的机理,该模型描述了溶液中Si-OH表面位点和H+离子之间的平衡。 覆盖氧化物表面(例如SiO2)的羟基可以通过提供或接受质子而表现两性,如在氧化物-电解质界面发生的以下酸碱反应:

-Si-OH + H2O ↔ -Si-O - + H3O+
-Si-OH + H3O+ ↔ -Si–OH2+ + H2O

ISFET的源极和漏极的结构与MOSFET相同。氢离子敏感膜通过对氢离子的选择透过以改变栅极电压。即ISFET的阈值电压取决于与其离子敏感膜接触的物质的pH值。

参比电极的现实局限 编辑

对H+浓度敏感的ISFET电极可用作常规的玻璃电极,以测量溶液的pH值。但是,它也需要参比电极才能工作。 如果与溶液接触的参比电极是经典的AgClHg2Cl2,则它将遭受与常规pH电极相同的局限性(在凝胶电极的情况下,结电位,KCl泄漏和甘油泄漏)。常规的参比电极也可能体积庞大且易碎,由于体积太大的限制也无法使ISFET电极小型化。电极微型化对于某些生物学或活体临床分析(一次性微型导管pH探针)是必不可少的。

因此,自20多年来以来,许多研究工作一直致力于片上嵌入式微型参比场效应晶体管(REFET)。它们的功能原理或操作模式可能会有所不同,具体取决于电极生产商,并且通常受专利保护。REFET所需的半导体改良表面也不总是与测试溶液保持热力学平衡,并且可能对侵蚀性或干扰性溶解物质或未很好表征的老化现象敏感。如果电极能够以规则的时间间隔频繁地重新校准并且在其使用寿命期间易于维护,这些问题都可以避免。但是,如果电极必须长时间保持浸入状态,或者由于测量层面有关的特定约束而无法使用,则可能会出现问题(地球化学测量在极端的环境如升高的水压下或缺氧或还原条件下容易受大气氧进入或压力变化而被干扰)。

与常规玻璃电极一样,ISFET电极的关键因素仍然是参比电极。 在对电极故障进行故障排除时,通常从参比电极入手。

历史 编辑

ISFET的基础是 MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管), [1]最初由埃及工程师Mohamed M. Atalla和韩国工程师Dawon Kahng于1959年发明。 [3] 1962年, Leland C. Clark和Champ Lyons发明了生物传感器[4] [5]

特文特大学的荷兰工程师Piet Bergveld随后研究了MOSFET,并意识到可以将其改装为用于电化学生物应用的传感器[6] [1] 这导致了Bergveld在1970年发明ISFET。 [7] 他将ISFET描述为“一种具有一定距离的栅极的特殊MOSFET”。 它是最早的生物传感器FET (BioFET)。 [4]

ISFET传感器可以在基于 CMOS(互补MOS)技术的 集成电路 中实现。ISFET器件广泛用于生物医学应用中,例如DNA杂交检测,血液中生物标志物检测,抗体检测,葡萄糖测量和 pH传感。ISFET也是后来的生物FET的基础,例如遗传技术中使用的DNA场效应晶体管(DNAFET)。[7]

参照 编辑

参考文献 编辑

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参考书目 编辑

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进一步阅读 编辑

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isfet, 离子敏感场效应晶体管, 又称, 英語, sensitive, field, effect, transistor, 是用于测量溶液中离子浓度的场效应晶体管, 当离子浓度, 例如h, 参见ph值, 变化时, 流经晶体管的电流也会相应变化, 在这里, 溶液被用作栅极, 基板和氧化物表面之间的电压由于离子层而产生, 它与mosfet具有相同的基本结构, 是一种特殊类型的mosfet, 金属氧化物半导体场效应晶体管, 但金属栅极被离子敏感膜, 电解质溶液和参比电极代替, 于1970年发明, 是第一款生物传感器. 离子敏感场效应晶体管 又称ISFET 英語 ion sensitive field effect transistor 是用于测量溶液中离子浓度的场效应晶体管 当离子浓度 例如H 参见pH值 变化时 流经晶体管的电流也会相应变化 在这里 溶液被用作栅极 基板和氧化物表面之间的电压由于离子层而产生 它与MOSFET具有相同的基本结构 是一种特殊类型的MOSFET 金属氧化物半导体场效应晶体管 1 但金属栅极被离子敏感膜 电解质溶液和参比电极代替 2 ISFET于1970年发明 是第一款生物传感器FET BioFET ISFET的示意图 源极和漏极是FET系统中使用的两个电极 电子流发生在漏极和源极之间的通道中 栅极电势控制两个电极之间的电流流动 PH值影响栅极材料的Si OH基团在水溶液中的界面 水解性 典型的栅极材料有 SiO2 Si3N4 Al2O3 和 Ta2O5 可以通过位点结合模型描述负责氧化物表面电荷的机理 该模型描述了溶液中Si OH表面位点和H 离子之间的平衡 覆盖氧化物表面 例如SiO2 的羟基可以通过提供或接受质子而表现两性 如在氧化物 电解质界面发生的以下酸碱反应 Si OH H2O Si O H3O Si OH H3O Si OH2 H2OISFET的源极和漏极的结构与MOSFET相同 氢离子敏感膜通过对氢离子的选择透过以改变栅极电压 即ISFET的阈值电压取决于与其离子敏感膜接触的物质的pH值 目录 1 参比电极的现实局限 2 历史 3 参照 4 参考文献 5 参考书目 6 进一步阅读参比电极的现实局限 编辑对H 浓度敏感的ISFET电极可用作常规的玻璃电极 以测量溶液的pH值 但是 它也需要参比电极才能工作 如果与溶液接触的参比电极是经典的AgCl或Hg2Cl2 则它将遭受与常规pH电极相同的局限性 在凝胶电极的情况下 结电位 KCl泄漏和甘油泄漏 常规的参比电极也可能体积庞大且易碎 由于体积太大的限制也无法使ISFET电极小型化 电极微型化对于某些生物学或活体临床分析 一次性微型导管pH探针 是必不可少的 因此 自20多年来以来 许多研究工作一直致力于片上嵌入式微型参比场效应晶体管 REFET 它们的功能原理或操作模式可能会有所不同 具体取决于电极生产商 并且通常受专利保护 REFET所需的半导体改良表面也不总是与测试溶液保持热力学平衡 并且可能对侵蚀性或干扰性溶解物质或未很好表征的老化现象敏感 如果电极能够以规则的时间间隔频繁地重新校准并且在其使用寿命期间易于维护 这些问题都可以避免 但是 如果电极必须长时间保持浸入状态 或者由于测量层面有关的特定约束而无法使用 则可能会出现问题 地球化学测量在极端的环境如升高的水压下或缺氧或还原条件下容易受大气氧进入或压力变化而被干扰 与常规玻璃电极一样 ISFET电极的关键因素仍然是参比电极 在对电极故障进行故障排除时 通常从参比电极入手 历史 编辑ISFET的基础是 MOSFET 金属氧化物半导体场效应晶体管 1 最初由埃及工程师Mohamed M Atalla和韩国工程师Dawon Kahng于1959年发明 3 1962年 Leland C Clark和Champ Lyons发明了生物传感器 4 5 特文特大学的荷兰工程师Piet Bergveld随后研究了MOSFET 并意识到可以将其改装为用于电化学和生物应用的传感器 6 1 这导致了Bergveld在1970年发明ISFET 7 他将ISFET描述为 一种具有一定距离的栅极的特殊MOSFET 它是最早的生物传感器FET BioFET 4 ISFET传感器可以在基于 CMOS 互补MOS 技术的 集成电路 中实现 ISFET器件广泛用于生物医学应用中 例如DNA杂交检测 血液中生物标志物检测 抗体检测 葡萄糖测量和 pH传感 ISFET也是后来的生物FET的基础 例如遗传技术中使用的DNA场效应晶体管 DNAFET 7 参照 编辑化学场效应晶体管 离子选择电极 MISFET 金属 绝缘体 半导体场效应晶体管 MOSFET 金属 氧化物 半导体场效应晶体管 pH pH测量仪 电位法 醌氢醌极 饱和甘汞电极 氯化银电极 标准氢电极参考文献 编辑 1 0 1 1 1 2 Bergveld Piet The impact of MOSFET based sensors PDF Sensors and Actuators October 1985 8 2 109 127 2019 12 07 Bibcode 1985SeAc 8 109B ISSN 0250 6874 doi 10 1016 0250 6874 85 87009 8 原始内容存档 PDF 于2020 08 04 引用错误 带有name属性 Bergveld 的 lt ref gt 标签用不同内容定义了多次 引用错误 带有name属性 Bergveld 的 lt ref gt 标签用不同内容定义了多次 Schoning Michael J Poghossian Arshak Recent advances in biologically sensitive field effect transistors BioFETs PDF Analyst 10 September 2002 127 9 1137 1151 2019 12 07 Bibcode 2002Ana 127 1137S ISSN 1364 5528 PMID 12375833 doi 10 1039 B204444G 原始内容存档 PDF 于2020 04 21 1960 Metal Oxide Semiconductor MOS Transistor Demonstrated The Silicon Engine A Timeline of Semiconductors in Computers Computer History Museum August 31 2019 原始内容存档于2019 10 27 4 0 4 1 Park Jeho Nguyen Hoang Hiep Woubit Abdela Kim Moonil Applications of Field Effect Transistor FET Type Biosensors PDF Applied Science and Convergence Technology 2014 23 2 61 71 2019 12 07 ISSN 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Bergveld P ISFET theory and practice PDF IEEE Sensor Conference Toronto October 2003 Toronto IEEE 26 pp 2003 2019 12 07 原始内容 PDF 存档于2008 08 20 Bergveld P A Van den Berg PD Van der Wal M Skowronska Ptasinska EJR Sudholter DN Reinhoudt How electrical and chemical requirements for REFETs may coincide Sensors and Actuators 1989 18 3 4 309 327 ISSN 0250 6874 doi 10 1016 0250 6874 89 87038 6 Chudy M W Wroblewski Z Brzozka Towards REFET Sensors and Actuators B Chemical 1999 57 1 3 47 50 ISSN 0925 4005 doi 10 1016 S0925 4005 99 00134 3 Chudy Michal Wojciech Wroblewski Zbigniew Brzozka Towards REFET Sensors and Actuators B Chemical 1999 57 1 3 47 50 ISSN 0925 4005 doi 10 1016 S0925 4005 99 00134 3 Collins S D Practical limits for solid state reference electrodes Sensors and Actuators B Chemical 1993 10 3 169 178 ISSN 0925 4005 doi 10 1016 0925 4005 93 87002 7 Duroux P C Emde P Bauerfeind C Francis A Grisel L Thybaud D Armstrong C Depeursinge A L Blum The ion sensitive field effect transistor 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amp oldid 63130586, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

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