Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика

Рассматриваются основные теоретические принципы, лежащие в основе работы ионоселективных полевых транзисторов и их применения в биоаналитической, практике. Приведены некоторые особенности наиболее продвинутых микротехнологий для их изготовления, схемы измерений с сопутствующим аппаратным обеспечение...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2004
Автор:	Дзядевич, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2004
Назва видання:	Біополімери і клітина
Теми:	Ювілеї
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/154158
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика / С.В. Дзядевич // Біополімери і клітина. — 2004. — Т. 20, № 1-2. — С. 7-16. — Бібліогр.: 77 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-154158
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1541582019-06-16T09:52:45Z Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика Дзядевич, С.В. Ювілеї Рассматриваются основные теоретические принципы, лежащие в основе работы ионоселективных полевых транзисторов и их применения в биоаналитической, практике. Приведены некоторые особенности наиболее продвинутых микротехнологий для их изготовления, схемы измерений с сопутствующим аппаратным обеспечением. Детально описаны достижения в области разработки ферментных биосенсоров на основе ионоселективных полевых транзисторов и оценены перспективы их использования. The key theoretic principles of the work of ion-selective field effect transistor connected with their application in bioanalytical practice, some specifics of modern microtechlogies for their creation and measurement schemes with set-ups are discussed. The achievements in the creation of enzyme biosensors based on ion-selective field effect transistor and perspectives of their application are described in detail. Розглядаються основні теоретичні принципи, які лежать в основі роботи іоноселективних польових транзисторів та їхнє застосування в біоаналітичній практиці. Наведено деякі особливості найрозвиненіших мікротехнологій для їхнього виготовлення і схеми вимірів з необхідним апаратним забезпеченням. Детально описано досягнення в галузі розробки ферментних біосенсорів на основі іоноселективних польових транзисторів та оцінено перспективи їхнього використання. 2004 Article Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика / С.В. Дзядевич // Біополімери і клітина. — 2004. — Т. 20, № 1-2. — С. 7-16. — Бібліогр.: 77 назв. — рос. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.20.1 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/154158 577.15; 573.6 ru Біополімери і клітина Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Ювілеї Ювілеї
spellingShingle	Ювілеї Ювілеї Дзядевич, С.В. Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика Біополімери і клітина
description	Рассматриваются основные теоретические принципы, лежащие в основе работы ионоселективных полевых транзисторов и их применения в биоаналитической, практике. Приведены некоторые особенности наиболее продвинутых микротехнологий для их изготовления, схемы измерений с сопутствующим аппаратным обеспечением. Детально описаны достижения в области разработки ферментных биосенсоров на основе ионоселективных полевых транзисторов и оценены перспективы их использования.
format	Article
author	Дзядевич, С.В.
author_facet	Дзядевич, С.В.
author_sort	Дзядевич, С.В.
title	Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика
title_short	Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика
title_full	Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика
title_fullStr	Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика
title_full_unstemmed	Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика
title_sort	биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	2004
topic_facet	Ювілеї
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/154158
citation_txt	Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика / С.В. Дзядевич // Біополімери і клітина. — 2004. — Т. 20, № 1-2. — С. 7-16. — Бібліогр.: 77 назв. — рос.
series	Біополімери і клітина
work_keys_str_mv	AT dzâdevičsv biosensorynaosnoveionoselektivnyhpolevyhtranzistorovteoriâtehnologiâpraktika
first_indexed	2025-07-14T05:47:10Z
last_indexed	2025-07-14T05:47:10Z
_version_	1837600112864395264
fulltext	ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина. 2004. Т. 20. № 1-2 Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика С. В. Дзядевич Институт молекулярной биологии и генетики ПАН Украины Ул. Академика Заболотного, 150, Киев, 03143, Украина Рассматриваются основные теоретические принципы, лежащие в основе работы ионоселективных полевых транзисторов и их применения в биоаналитической, практике. Приведены некоторые особенности наиболее продвинутых микротехнологий для их изготовления, схемы измерений с сопутствующим аппаратным обеспечением. Детально описаны достижения в области разработки ферментных биосенсоров на основе ионоселективных полевых транзисторов и оценены перспекти вы их использования. Введение. Разработка биосенсоров — аналитиче ских устройств нового поколения — является на сегодня одним из наиболее перспективных направ лений исследований в области аналитической био технологии. По типу преобразования сигнала они разделяются на оптические, акустические и элект рохимические. Последние, в свою очередь, подраз деляются на амперометрические, кондуктометриче- ские и потенциометрические. Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов (ИСПТ), которые раньше входили в состав потенциометри- ческих преобразователей, в последнем техническом рапорте ШРАС, касающемся электрохимических биосенсоров, выделены в отдельный (четвертый) класс электрохимических датчиков [1 ]. Это, преж де всего, свидетельствует о безусловной важности данного класса биосенсоров. Первый ИСПТ (ISFET в английском варианте) кратко описан Бергвельдом в работе [2], где его предполагали использовать для электрофизиологи ческих измерений ионного состава в окружении нервных тканей. Эта идея осуществлена и подробно описана в 1972 г. в сообщении [3], и сегодня большинство авторов воспринимает и цитирует ее как пионерскую публикацию в этой области. Пер вый ИСПТ состоял из МДП (металл/диэлект рик/полупроводник) транзистора, затвор которого был заменен тестируемым раствором. Примерно в © С. В. ДЗЯДЕВИЧ, 2004 это же время Мацуо и Вайс применили нитрид кремния в качестве чувствительного подзатворного слоя, тем самым существенно улучшив полученный датчик [4 ]. Именно эти первые работы и положили начало интенсивным исследованиям в области раз работки ИСПТ. В целом за 30-летний период исследований в области разработки ионоселективных полевых транзисторов опубликовано более 700 статей, каса ющихся различных аспектов их создания [5]. Та кое внимание данным сенсорам можно объяснить, прежде всего, тем, что для изготовления полевых транзисторов всегда используется полупроводнико вая технология, обеспечившая в свое время громад ный прогресс в микроэлектронике. Последние до стижения в изготовлении планарных и непланар- ных структур микрометровых и субмикрометровых размеров на базе монокристаллического кремния, глубокие знания о механических и электрических свойствах последнего позволили придать импульс этому новому направлению аналитической биотех нологии [6]. История использования кремния при создании широкого спектра сенсоров хорошо описа на в обзоре [7 ]. Кроме того, групповая технология интеграль ных схем (ИС) является наилучшим средством снижения себестоимости отдельного прибора, нала живания их массового производства. Она обеспечи вает возможность интеграции и совмещения на одном кристалле нетрадиционных вычислительных 7 ДЗЯДЕВИЧ С. В. Рис. 1. Схематический вид МДП ПТ (а) и ИСПТ (б) и детектирующих устройств с буферной электрон ной схемой обработки и долговременного хранения информации. Поэтому разработка и промышлен ный выпуск чувствительных, специфичных, мини атюрных и дешевых биосенсоров, несомненно, при ведут к глобальным изменениям в характере и методах сбора информации о состоянии объектов и сред в быту, медицине, биотехнологии, сельском хозяйстве, мониторинге окружающей среды и т. д. В данном обзоре рассматриваются основные теоретические принципы, лежащие в основе при менения ИСПТ в биоаналитической практике, осо бенности микротехнологий для их изготовления, схемы измерений, а также примеры различных ферментных биосенсоров на основе ИСПТ. Теоретические основы работы ИСПТ. Ионосе- лективный полевой транзистор есть не что иное, как классический МДП полевой транзистор с за твором в форме электрода сравнения, который отделен от самой структуры и соединяется с за творной областью через водный раствор (рис. 1). В кремниевой подложке с дырочной проводимостью (p-Si) созданы области с электронной проводимо стью (я+-области, а именно — п+-исток и и+-сток). Над каналом между ними расположен управляю щий электрод-затвор, отделенный от подложки слоем подзатворного диэлектрика. Описание механизма работы ИСПТ можно на чать с теоретического описания работы МДП ПТ [8 ]. Схема на рис. 2, а — это зонная диаграмма структуры металл/диэлектрик/полупроводник при отсутствии напряжения на затворе. Уровень Ферми одинаков как для металла, так и для полупровод ника, а проводимость приповерхностной области полупроводника не отличается от объемной прово димости. Схема на рис. 2, б — та же диаграмма при F 3 > 0 (F S i = 0). Уровень Ферми в металле и полу проводнике начинает различаться из-за приклады ваемого напряжения. Изгиб зон приводит сначала к обеднению приповерхностной области дырками (положительными зарядами), а при V, > К п о р о г (рис. Д ' 77777777777 п У777777777- л м 77777777777 ' V © ф ф ф ф Е, EF ± ^77777777777 п ее ффф Е, EF Е, Рис. 2. Зонные диаграммы структуры металл(М)/диэлект рик (Д)/полупроводник (П) при отсутствии напряжения на за творе (а), при V3 > 0 (б) и К, > К п о р о г (в): Ег — уровень Ферми; Et — собственный уровень Ферми в полупроводнике; Ес — дно зоны проводимости; Еу — край валентной зоны 8 БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 2, в) у поверхности полупроводника возникает область, обогащенная электронами — инверсион ный слой, проводимость которого сильно зависит от напряжения на затворе. Общее уравнение для описания тока стока для МДП ПТ в режиме ненасыщения имеет следующий вид [5]: где С м — удельная емкость оксида; W и L — шири на и длина канала соответственно; ц — подвиж ность электронов в канале. Остальные параметры представлены на рис. 3. Если параметр геометрической чувствительно сти p=fiCoxW/L, а прикладываемое напряжение стока—истока Vas и пороговое напряжение Vt явля ются постоянными величинами, то ток стока 1й есть уникальная функция входного напряжения F g s . Фактически, для МДП ПТ параметр /? — всегда постоянная величина, зависящая от дизайна тран зистора; — тоже постоянная величина, которая задается искусственно прикладыванием определен ного напряжения между стоком и истоком. Порого вое напряжение Vt зависит от технологического процесса изготовления транзистора и также в каж дом конкретном случае является постоянной вели чиной. Таким образом, только является входной переменной величиной. Для ИСПТ же появляется возможность хими чески модифицировать пороговое напряжение Vt через поверхностный потенциал на границе разде ла электролит/оксид. В такой ситуации обычно электрод сравнения соединяется с истоком (Vgs = 0) и входной переменной величиной становится Vv Для придания ИСПТ химической чувствительно сти к определенному веществу хемоселективную мембрану присоединяют последовательно к подзат- ворному диэлектрику. Различают четыре основных источника воз никновения разности потенциалов на границе раз дела твердая фаза/электролит: 1) перенос заряда через границу раздела; 2) различие в специфиче ской адсорбции ионов противоположного знака на твердой поверхности; 3) адсорбция или ориентация молекул, обладающих собственным дипольным мо ментом; 4) поляризация атомов и молекул в нео днородном силовом поле вблизи границы раздела. Устанавливающийся в результате химического вза имодействия потенциал действует последовательно с любым внешним смещением, приложенным к затвору, и поэтому регистрируется аналогично из менению напряжения на затворе МДП ПТ. Суще ствуют различные твердофазные материалы типа Рис. 3. Электронная диаграмма МДП ПТ: —напряжение на затворе; Vas — напряжение стока—истока; 1й — ток стока LaF 3, AgCl, Si 3N 4 и др., являющиеся селективными к ионам фтора, серебра и водорода соответственно [ 9 - 1 2 ] . Многие чувствительные к Н + материалы слу жат одновременно эффективными барьерами, пре пятствующими диффузии ионов и воды. Поэтому их часто используют одновременно в качестве вер хнего слоя подзатворного диэлектрика ИСПТ и как капсулирующее вещество, проводя нанесение на стадии обработки кремниевой пластины методом химического осаждения из газовой фазы или окис ления в сочетании с литографией. Для того же, чтобы придать ИСПТ способность различать дру гие химические вещества, применяют ионоселек- тивные мембраны и биоматрицы, которые наносят ся поверх подзатворного диэлектрика и прикрепля ются к нему физико-химической адгезией. В этом случае именно такие дополнительные мембраны являются селективными к необходимому веществу и отвечают за образование продукта, который мож но зарегистрировать. Технологии создания ИСПТ. Основные техно логии, используемые при создании ИСПТ, — это классические микроэлектронные технологии инте гральных схем. В процессе создания полупроводни ковых приборов и ИС можно выделить четыре этапа: 1) постановка задачи, определение целей устройства и его функциональных возможностей; 2) проектирование схемы, разработка топологии, изготовление шаблонов; 3) изготовление ИС; 4) сборка, упаковка в корпус, контроль параметров, испытания надежности. Интегральные схемы построены из тонких сло ев (обычно толщина их не более 1 мкм) металлов, полупроводников и диэлектриков разной формы на подложке, как правило, кремниевой. Ключевыми при их изготовлении являются изготовление шаб лонов, формирование рисунка и этапы химической обработки пластины. Получение ИС может вклю чать до 10 и более процессов литографии. Общее количество технологических операций при изготов лении, например, полевого транзистора составляет 9 ДЗЯДЕВИЧ С. В. около 30. Сюда входят термоокисление кремния, ионная имплантация поверхности пластины через маску, ионная диффузия, осаждение диэлектриче ских слоев из газовой фазы, напыление металла, промежуточные обработки. Поверхность пластин кремния, используемых сегодня в промышленности, достигает размеров 150 * 150 мм. Формирование ИС производится сра зу на всей поверхности. Пластину со сформирован ными ИС затем разрезают на отдельные кристаллы (чипы) площадью от одного до нескольких десятков миллиметров в квадрате. Каждый чип содержит ИС. Минимальная толщина линий рисунка, созда ваемого с помощью микролитографии, может со ставлять от 2 мкм для оптических резистов до 5 • 10~5 мкм для электронорезистов. Сами размеры полупроводниковых приборов при этом исчисляют ся микрометрами, а их количество на чипе может измеряться сотнями тысяч. Поэтому они являются очень перспективными в плане создания мульти- сенсоров. Метод микролитографии применим в удиви тельно широкой области технологических задач для обработки самых различных материалов. Отли чительной чертой изготовляемых структур являет ся их квазидвухмерность или планарность, по скольку отношение параметров, характеризующих рельеф поверхности пластины в направлении, пер пендикулярном и параллельном поверхности, обычно не превышает 1:5. В то же время при работе с монокристаллическим кремнием сущест вуют большие возможности для создания трехмер ных микроструктур за счет его механической и химической обработки. Использование различных методов изотропного и анизотропного травления (в последнем случае травление монокристалла проис ходит перпендикулярно определенной кристалло графической плоскости) позволяет формировать многообразные по форме отверстия и углубления в пластине, мембраны микрометровой и субмикро- метровой толщины, балочные структуры и прочее [13—15]. Поскольку, как упоминалось выше, ИСПТ есть в принципе МДП ПТ, то при их производстве применяют те же технологии. Различия касаются только затворной области. Большинство ИСПТ имеют сток, исток и затвор на одной стороне чипа, однако существуют ИСПТ с разнесенными по раз ные стороны подложки стоком—истоком и затво ром [16 ]. Очень важным элементом является выбор внешнего затворного диэлектрика, который распо лагается поверх оксида кремния. Этот материал должен быть чувствительным и селективным к тестируемым ионам, являться хорошим пассивато- ром поверхности кремния и защищать от гидрата ции и миграции ионов к поверхности полупровод ника. Прежде всего, исследовали классические ма териалы микроэлектроники, такие как Si 3N 4 [17], А1 20 3 [18, 19], Т а 2 0 5 [18, 20], Z r 0 2 [21]. Хороший обзор по изучению характеристик рН ПТ с затворными областями из Si0 2 , Si 3N 4 , А1 20 3 и Т а 2 0 5 представлен в начале 80-х гг. Мацуо и Эсаши [22]. S i0 2 оказался худшим материалом в плане рН-чувствительности, поскольку диапазон чувствительности составлял 25—48 мВ/рН с нели нейной зависимостью от рН. Si 3N 4 демонстрировал чувствительность в пределах 46—56 мВ/рН, а А1 20 3 и Т а 2 0 5 показали почти что идеальную чув ствительность (53—57 и 56—57 мВ/рН соответст венно). Подобные результаты получены и при сравнении чувствительности по другим ионам, от клику сенсора и долговременной стабильности. Во всех случаях Si0 2 был худшим материалом, а А1 20 3 и Т а 2 0 5 — лучшими. Но для практических целей был выбран Si 3N 4 , который, несмотря на средние результаты, наиболее хорошо изучен и широко используется в технологии ИС. Очень сложным вопросом при переходе к про мышленному выпуску биосенсоров на основе ИСПТ является капсулирование [23]. Трудность состоит в том, чтобы обеспечить хорошую электри ческую изоляцию при работе сенсора в жидкости периферии кристалла, контактных площадок и вы водных проводников, не повредив чувствительных областей сенсора. Также актуальным остается тре бование совместимости предполагаемого процесса капсулирования с групповой технологией ИС. Изолировать сенсор от анализируемого раство ра необходимо, так как для ИСПТ этот раствор является частью затвора, а между затвором и объемом полупроводника должна быть только ем костная связь и отсутствовать — гальваническая. В противном случае характеристики датчика резко ухудшаются. Электрическую пассивацию верхней и нижней поверхностей кристалла, кроме контакт ных площадок, обычно проводят, покрывая ее ди электрической пленкой с низкой водо- и ионопро- ницаемостью, о чем уже упоминалось выше. Контактные площадки стараются размещать по краю кристалла на наибольшем удалении от чувст вительной области сенсора. Тогда после подсоеди нения выводов ультразвуковой или термокомпрес сией изоляцию можно провести с помощью эпок сидного или другого вязкого компаунда, не повредив чувствительных областей. На рис. 4 представлены различные ИСПТ, изготовленные в НИИ Микроприбор (Украина) [24], лабораторией LAAS CNRS (Франция) [25], 10 БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Рис. 5. Схема измерений для работы с ИСПТ группой ESIEE (Франция) [26] и в Институте материаловедения (Вьетнам) [27]. Схемы измерений для работы с ИСПТ. Как упоминалось ранее, одним из основных преиму ществ ИСПТ является возможность интеграции на одном чипе самого датчика со схемой усиления и обработки, используя кремниевые технологии мик роэлектроники [28, 29]. Однако пока не существу ет коммерческого прибора с интегрированными датчиком и усилителем. Первый ИСПТ работал, используя отдельные компоненты и приборы, под ключенные согласно схеме измерений, описанной Бергвельдом [30]. Эта схема запатентована фир мой Филипс, однако не нашла широкого примене ния. В настоящее время большим успехом пользу ется более простая ее версия (рис. 5). Операционный усилитель поддерживает вход ное напряжение равным нулю (l/+ = U-) , поэтому Um = UK3 и VdB = f/R2. Поскольку UR2 есть постоян ная величина (так как она является частью V r e f, тоже постоянной величины), то Vds — также посто янная величина. Кроме того, ток стока 1й - ию/ш— опять же константа, потому что UR3 = URl (вторая часть VKf). Благодаря такому подключению значе ние всегда поддерживается постоянным, автома тически регулируя потенциал истока в соответст вии с любыми изменениями порогового напряже ния У,. Изменения в поверхностном потенциале оксида тут же очень точно отражаются на величине £/оц1. На практике часто используют величины 1й = = 100 мкА, Vas = 0,5 В; результирующее выходное напряжение в этом случае Uoal - - 1 В при рН 7. Диоды на выходе ограничивают выходное напряже ние (соответственно и напряжение истока) в преде лах от -1 ,3 до +3,0 В. На практике они в большин стве своем выполнены в форме светодиодов, сигна лизирующих о выходе параметров системы из необходимых границ. Проблемы влияния температуры, света, дрей фа на характеристики ИСПТ, как правило, часто решаются благодаря использованию дифференци альной схемы измерений (рис. 6). В данной схеме для усилителей ИСПТ 1 и ИСПТ 2 можно использовать схему из рис. 5, выходы которой соединены с дополнительным диф ференциальным усилителем. Псевдоэлектродом сравнения обычно служит платиновый электрод, напыляемый на общую для обоих датчиков часть чипа [5 ]. В работе [24 ] в качестве псевдоэлектрода сравнения использовали незакапсулированную часть подложки. Таким образом, благодаря исполь зованию дифференциальной схемы измерений, с одной стороны, избавляются от относительно боль шого электрода сравнения и, с другой, — частично решают проблемы влияния различных факторов среды на характеристики сенсора. V=f(pH) Рис. 6. Схема измерений для работы с ИСПТ в дифференциаль ном режиме 11 Д З Я Д Е В И Ч С. В. Ферментные биосенсоры на основе ИСПТ. Несмотря на то, что Яната и Мосс еще в 1976 г. высказали идею применения ИСПТ в качестве ферментного сенсора [31 ], подобные сведения не публиковались до 1980 г., когда вышла в свет первая работа по использованию ИСПТ как фер ментного биосенсора для определения пенициллина [32]. В этом сообщении Карас и Яната описали прибор для определения пенициллина, состоящий из двух рН-чувствительных ИСПТ. Один преобра зователь имел сверху подзатворной части мембрану с ковалентно связанными пенициллиназой и альбу мином, а второй — только мембрану с ковалентно связанным альбумином. Такой прибор они назвали ферментным (энзимным) полевым транзистором — ЭНПТ (ENFET в английском варианте). Когда в растворе присутствовал пенициллин, то пеницил- линаза в мембране катализировала его гидролиз. Это приводило к образованию протонов и соответ ственно к локальному уменьшению величины рН в области затвора, что и регистрировалось с по мощью ИСПТ. Было также показано, что подобные ЭНПТ нуждаются в небольшом количестве фер мента в мембране и могут использоваться много кратно, что, несомненно, являлось большим пре имуществом по сравнению с классическим фермен тным анализом. На первой международной конференции по химическим сенсорам, которая проходила в 1983 г. в г. Фикуока (Япония), уже были сделаны два доклада, посвященных биосенсорам на основе ИСПТ. В одном из них был представлен ЭНПТ для определения мочевины и ацетилхолина [33 ], в другом — ЭНПТ для определения глюкозы [34 ]. С 1985 г. наблюдается значительное увеличе ние количества публикаций, посвященных различ ным аспектам создания и работы ЭНПТ. Так, в работах [35—40] независимо публикуются обшир ные теоретические модели работы ЭНПТ, которые подтверждаются практическими данными. Ниже приведены некоторые схемы ферментативных реак ций, на основе которых работают ЭНПТ. В табл. 1 приведены данные по разработке различных биосенсоров на основе ИСПТ, получен ные в разные годы. Практическое применение ферментных сенсо ров на основе ИСПТ осложняется тем, что обычно их отклик зависит от рН среды, ее буферной емкости, концентрации субстрата, а в случае, на пример, с глюкозой — и от концентрации косубст- рата (кислорода). Буферная емкость анализируемого раствора, в свою очередь, зависит от рН, следовательно, изме нение рН в матрице с иммобилизованным фермен- Схемы ферментативных реакций том обусловлено исходной величиной рН пробы. Еще более существенной является рН-зависимость ферментативной кинетики: график зависимости скорости ферментативной реакции от рН имеет приблизительно колоколообразную форму, так что при большом изменении рН в матрице фермент может ингибироваться. Предел чувствительности, время и величина отклика ЭНПТ зависят от большого числа факто ров: скорости работы фермента, внешнего массопе- реноса (диффузии субстрата и буфера из объема раствора к поверхности мембраны), внутреннего массопереноса (диффузии субстрата, продукта и буфера внутри мембраны), толщины и пористости мембраны и т. д. Для хорошей работы биосенсора эти параметры надо оптимизировать. Время отклика ЭНПТ составляет от одной до нескольких минут. Диапазон чувствительности по субстрату находится в пределах 10~6—10"' моль/л и обычно сильно зависит от буферной емкости среды. Диапазон чувствительности по ингибиторам нахо дится в пределах от 10~" до 10~2 моль/л и зависит от используемого фермента и времени инкубации в растворе ингибитора. Важным элементом создания ЭНПТ является выбор метода иммобилизации фермента на поверх- 12 БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ность датчика. С одной стороны, для иммобилиза ции на поверхность ИСПТ подходят все принципы и методы, обычно используемые при создании био сенсоров и детально описанные ранее [70, 71 ]. С другой стороны, для более полной реализации по тенциала, заложенного в биосенсорах на основе ИСПТ, необходимо, чтобы изготовление фермент ных биомембран удовлетворяло следующим усло виям: 1) обеспечивало нанесение мембраны на нужный участок чипа сенсора; 2) обеспечивало хорошую адгезию мембраны к поверхности ИСПТ; 3) позволяло создавать мультисенсоры при условии нанесения на близкие участки поверхности чипа мембран различного состава; 4) было совместимым с групповой технологией интегральных схем. Интересным в этом плане является подход, когда фотополимеризующийся раствор с фермен том наносят тонким слоем на структуру [72]. После экспозиции в ультрафиолетовом излучении через фотошаблон и отмывки незаполимеризовав- шегося раствора матрица с ферментом остается только над затвором транзистора. Также заслужи вающим внимания является метод, при использова нии которого альбуминовую матрицу с ферментом наносили сразу на всю пластину, а после полиме ризации везде, кроме необходимых участков, фер мент дезактивировали ультрафиолетовым излуче нием [73 ]. Очень перспективным видится и подход, при котором для иммобилизации мембран приме няли модифицированную фотолитографию [74 ]. Заключение. Выше подробно описаны различ ные аспекты разработки ИСПТ и биосенсоров на их основе. В эти исследования включены многие лаборатории, получены хорошие и обнадеживаю щие результаты. Однако до сих пор не существует успешного коммерческого варианта биосенсора на основе ЭНПТ. Такое положение дел можно объяс нить тем фактом, что очень сложно выйти на рынок и вступить в конкуренцию с традиционными приборами, какими являются, к примеру, стеклян ные рН электроды, производством которых занима ются крупные корпорации. Поэтому различного рода инновациями обычно занимаются небольшие компании, не имеющие возможности вкладывать в разработки большие капиталы, из-за чего внедре ние, как правило, затягивается. И только после того как приборы покажут свою конкурентоспособ ность, в их производство тут же включаются боль шие компании. Так получилось с рН электродами на основе ИСПТ. Еще несколько лет назад не существовало их коммерческих вариантов, только эксперимен тальные образцы. Однако сейчас их производством и продажей занимаются несколько десятков компа- 13 ДЗЯДЕВИЧ С В. ний, в том числе известных (табл. 2). Эти компа нии анонсируют в Интернете ряд преимуществ рН электродов на основе ИСПТ по сравнению со стеклянными рН электродами, а именно — нераз- биваемость, портативность, быстрый отклик, про стые условия хранения и чистки, измерения непос редственно в сложных водных образцах, а также полутвердых образцах, таких как сыр, мясо и т. д. (рис. 7, см. вклейку). В табл. 3 приведен сравни тельный анализ двух типов рН электродов. Учитывая вышеизложенное, можно предполо жить, что сейчас, когда уже существуют коммерче ские варианты рН электродов на основе ИСПТ, будут предприняты попытки коммерциализации и биосенсоров на основе ЭНТП. Правда, придется выдержать серьезную конкуренцию с амперометри- ческими биосенсорами, коммерческие варианты ко торых сейчас интенсивно применяются на практи ке. Поэтому необходимо широко использовать все преимущества биосенсоров на основе ЭНПТ по сравнению с другими типами датчиков, которые подробно описаны в данном обзоре. Особенно хоте лось бы отметить возможность создания мультисен- соров на основе ЭНПТ и современных технологий микроэлектроники [73—75 ]. Часть этой работы выполнена благодаря фи нансовой поддержке украинско-французской госу дарственной программы «Дніпро» и комплексной программы Национальной Академии Наук Украи ны «Дослідження у галузі сенсорних систем та технологій». S. V. Dzyadevych Biosensors based on ion-selective field effect transistors: theory, technology, practice Summary The key theoretic principles of the work of ion-selective field effect transistor connected with their application in bioanalytical practice, some specifics of modern microtechlogies for their creation and measurement schemes with set-ups are discussed. The achievements in the creation of enzyme biosensors based on ion-selective field effect transistor and perspectives of their application are described in detail. С. В. Дзядевич Біосенсори на основі іоноселективних польових транзисторів: теорія, технологія, практика Резюме Розглядаються основні теоретичні принципи, які лежать в основі роботи іоноселективних польових транзисторів та їхнє застосування в біоаналітичній практиці. Наведено деякі особ ливості найрозвиненіших мікротехнологій для їхнього виго товлення і схеми вимірів з необхідним апаратним забезпечен ням. Детально описано досягнення в галузі розробки фермен тних біосенсорів на основі іоноселективних польових транзи сторів та оцінено перспективи їхнього використання. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ l.Thevenot D. R., Toth JC, Durst R. A., Wilson G. S. Electrochemical biosensors: recommended definitions and clas sification (Technical report) / / Pure Appl. Chem.—1999.— 71.—P. 2333—2348. 2. Bergveld P. Development of an ion-sensitive solid-state device for neurophysiological measurements / / IEEE Trans. Biomed. Eng.—1970.—17.—P. 70—71. 3. Bergveld P. Development, operation and application of the ion- sensitive field effect transistor as a tool for electrophysiology / / IEEE Trans. Biomed. Eng.—1972.—19.—P. 342—351. 4. Matsuo Т., Wise K. D. An integrated field effect electrode for biopotential recording / / IEEE Trans. Biomed. Eng.—1974.— 21.—P. 485—487. 5. Bergveld P. Thirty years of ISFETOLOGY. What happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years / / Sensors and Actuators В.—2003 — 8 8 — P. 1—20. 6. Petersen К. E. Silicon as a mechanical material / / Proc. IEEE.—1982.—70.—P. 420—450. 7. Midddelhoek S. Celebration of the tenth transducers con ference: the past, present and future of transducer research and development / / Sensors and Actuators A.—2000.—82.— P. 2—23. 8. Шульга A. A., Стриха В. И. Современное состояние разработок биосенсоров на основе полупроводниковых структур / / Биотехника — новое направление компьюте ризации / Под ред. Г. Р. Иваницкого.—М.: Наука, 1990.— С. 63—82. 9. Covington А. К., Sibbald A. Ion-sensitive field effect transistors / / Phil. Trans. Roy. Soc. London B.—1987.—316.—P. 31 — 46. 10. Janata J., Bezegh A. Chemical sensors / / Anal. Chem.— 1988.—60.—P. 62—74. 11. Janata J., Huber R. Ion-selective field effect transistors / / Ion-Selective Electrode Rev.—1979.—1.—P. 31—79. 12. Solid State Chemical Sensors / Eds J. Janata, R. Huber.—New York: Acad, press, 1985.—211 p. 14 БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 13. Ко W. Н. Solid-state physical transducer for biomedical research / / IEEE Trans. Biomed. Eng.—1986.—33.— P. 153—162. 14. Takahashi K., Matsuo T. Integration of multimicroelectrode and interface circuits by silicon planar and three-dimensional fabrication technology / / Sensors and Actuators.—1984.—5.— P. 89—99. 15. Wohltjen H. Chemical microsensors and microinstrumentation. / / Anal. Chem.—1984.—56.—P. 87A—ЮЗА. 16. Cane C, Gracia I., Merlos A. Microtechnologies for pH ISFET chemical sensors / / Microelectronics J. —1997.—28.— P. 389—405. 17. Tsukada K., Sebata M., Miyahara Y., Miyagi H. Longlife multiple-ISFETs with polymeric gates / / Sensors and Ac tuators.—1989.—18.—P. 329—336. 18. Bousse L., de Rooij N. F., Bergveld P. Operation of chemically sensitive field effect transistors as function of the insulator- electrolyte interface / / IEEE Trans. Electron Devices.— 1983.—36.—P. 1263—1270. 19. Abe #., Esashi M., Matsuo T. ISFETs using inorganic gate thin films / / IEEE Trans. Electron Devices.—1979.—26 — P. 1939—1944. 20. Gimmel P., Gompf В., Schmeiiser D, Wiemhofer H. D., Gopel W., Klein M. Ta205-gates of pH-sensitive devices: comparative spectroscopic and electrical studies / / Sensors and Actuators В.—1989.—4.—P. 195—202. IX.Akiyama Т., Ujihira Y., Okabe Y., Sugano Т., Niki E. Ion-sensitive field-effect transistors with inorganic gate oxide for pH sensing / / IEEE Trans. Electron Devices.—1982.— 29.—P. 1936—1941. 22. Matsuo Т., Esashi M. Methods of ISFET fabrication / / Sensors and Actuators.—1981.—1.—P. 77—96. 23. Bowman L., Meindl J. The packaging of implantable chemical sensors / / IEEE Trans. Biomed. Eng.—1986 —33.—P. 248— 255. 24. SfuWgaA. A., Netchiporuk L. I., Sandrovsky A. K, Abalov A. A., Frolov O. S., Kononenko Y. G., Maupas #., Martelet C. Operational of an ISFET with non-insulated substrate directly exposed to the solution / / Sensors and Actuators B.—1996.— 30.—P. 101 — 105. 25. Sant W., Pourciel M. L, Launay J., Do Conto Т., Martinez A., Temple-Boyer P. Development of chemical field effect transistors for medical analysis / / The 16 Eur. Conf. on Solid-State Transducers.—Prague, 2002.—P. 619—620. 26. Dzyadevych S. V., Mai Anh Т., Soldatkin A. P., Due Chien N., Jaffrezic-Renau.lt N., Chovelon J.-M. Development of enzyme biosensor based on pH-sensitive field-effect transistors for detection of phenolic compounds / / Book of XVI Int. Symp. on Bioelectrochem. and Bioenergetics.—Bratislava, 2001.— P. 124. 27. Mai Anh T. Master Thesis, ITIMS, Hanoi Univ. of Technol.— Hanoi, 1999. 28. Wong H.-S., White H. A CMOS-integrated ISFET operational amplifier, chemical sensor employing differential sensing / / IEEE Trans. Electron Devices.—1989.—36.—P. 479—487. 29. Bausells J., Carrabina J., Errchid A., Merlos A. Ion-sensitive field effect transistors fabricated in a commercial CMOS technology / / Sensors and Actuators B.—1999.—57.— P. 56—62. 30. Bergveld P. The operational of an ISFET as an electronic device / / Sensors and Actuators В.—1981.—1.—P. 17—29. 31. Janata J., Moss S. D. Chemically sensitive field effect transistors / / Biomed. Eng.—1976.—6.—P. 241—245. 32. Caras S., Janata J. Field effect transistor sensitive to penicillin / /Anal . Chem.—1980.—52.—P. 1935—1937. 33. Miyahara Y., Matsu F., Moriizumi Т., Matsuoka H., Karube I., Suzuki S. Micro enzyme sensors using semiconductor and enzyme-immobilization techniques: Proc. Int. Meet, on Chem. Sensors (Fukuoka, Japan, September 19—22, 1983) / / Anal. Chem. (Symp. Ser.).—1983.—17.—P. 501—506. 34. Hanaiato Y., Shiono S. Bioelectrode using two hydrogen ion sensitive field effect transistors and a platinum wire pseudo reference electrode: Proc. Int. Meet, on Chem. Sensors (Fu kuoka, Japan, September 19—22, 1983) / / Anal. Chem. (Symp. Ser.).—1983.—17.—P. 513—518. 35. Caras S. D., Janata J., Saupe D., Schmidt K. pH-based enzyme potentiometric sensors. Theory / / Anal. Chem.— 1985.—57, pt 1.—P. 1917—1920. 36. Caras S. D., Petelenz D., Janata J. pH-based enzyme potentiometric sensors. Glucose-sensitive field effect transistor / / Anal. Chem.—1985.—57, pt 2.—P. 1920—1923. 37. Caras S. D., Janata J. pH-based enzyme potentiometric sensors. Penicilline-sensitive field effect transistor / / Anal. Chem.—1985.—57, pt 2.—P. 1923—1925. 38. Eddowes M. J. Response of an enzyme-modified pH-sensitive ion-selective device, consideration of the influence of the buffering capacity of the analytical solution / / Sensors and Actuators.—1985.—7.—P. 97—115. 39. Eddowes M. J., Pedley D. G., Webb В. C. Enzyme-modified ISFETs: theoretical and practical consideration / / Anal. Proc.—1986.—23.—P. 152—156. 40. Eddowes M. J. Response of an enzyme-modified pH-sensitive ion-selective device: analytical solution for the response in the present of pH buffer / / Sensors and Actuators.—1987.—11.— P. 265—274. 41. Miyahara Y., Moriizumi Т., Ichimura K. Integrated enzyme FETs for simultaneous detection of urea and glucose / / Sensors and Actuators.—1985.—7.—P. 1 — 10. 42. Солдаткин А. П., Сандровский А. К, Шульга A. A., Стародуб H. Ф., Стриха В. И., Ельская А. В. Глюкозный биосенсор на основе рН-чувствительных полевых тран зисторов. Зависимость отклика биосенсора от состава ана лизируемого раствора / / Журн. аналит. химии.—1990.— 45.—С. 1405—1409. 43. Soldatkin А. P., Efskaya А. V., Shufga A. A., Netchiporouk L. /., Nyamsi Hendji А. М. Glucose sensitive field effect transistor with additional NAFION membrane: reduction of influence of buffer capacity on the sensor response and extension of its dynamic range / / Anal. chim. acta.—1993.— 283.—P. 695—701. 44. Dzyadevich S. V., Korpan Y. /., Arkhipova V. N., Alesina M. Y., Martelet C, Etskaya A. V., Soldatkin A. P. Application of enzyme field-effect transistors for determination of glucose concentrations in blood serum / / Biosensors and Bioelectro- nics.—1999.—14.—P. 283—287. 45. Anzai J., Okhi Y., Osa Т., Nakajima H., Matsuo T. Urea sensor based on an ion sensitive field effect transistor. II. Effect of buffer concentration and pH on the potentiometric response / / Chem. Pharm. Bull.—1985.—33.—P. 2556—2559. 46. Karube ]., Tamiya E., Dicks J. M., Gotoh M. A micro-sensor for urea based on an ion-selective effect transistor / / Anal, chim. acta.—1986.—185.—P. 195—200. 47. Солдаткин А. П., Бубряк О. А., Стародуб H. Ф., Ельская А. В., Сандровский А. К., Шульга А. А., Стриха В. И. Уреазный биосенсор на полевом транзисторе. Особенности конструкции и характеристики работы в модельных ус ловиях / / Электрохимия.—1993.—29.—С. 315—319. 48. Melo J. V., Soldatkin A. P., Martelet C, Jaffrezic-Renault N., Cosnier S. Use of competitive inhibition for driving sensitivity and dynamic range of urea ENFETs / / Biosensors and Bioelectronics.—2003.—18.—P. 345—351. 49. Архипова В. M., Дзядевич С. В., Солдаткин А. П., 15 http://Jaffrezic-Renau.lt ДЗЯДЕВИЧ С. в. Ельская А. В. Ферментные биосенсоры для определения пенициллина на основе кондуктометрических планарных электродов и рН-чувствительных полевых транзисторов / / Укр. биохим. журн.—1996.—68.—С. 26—31. 50. Gorchkov D. V., Soldatkin А. P., Maupas #., Martelet С, Jaffrezic-Renault N. Correlation between the electrical charge properties of polymeric membranes and the characteristics of ion sensitive field effect transistors or penicillinase based enzymatic field effect transistors / / Anal. chim. acta.—1996.— 331.—P. 217—223. 51. Nyamsі Hendji A. M., Jaffrezic-Renault N., Martelet C, Clechet P., Shutga A. A., Strikha V. I., Netchiporouk L. I., Soldatkin A. P., Wlodarski W. B. Sensitive detection of pesticides using a differential ISFET-based system with immo bilized cholinesterases. / / Anal. chim. acta.—1993.—281.— P. 3—11. 52. Arkhypova V. N., Dzyadevych S. V., Soldatkin A. P., Etskaya A. V., Jaffrezic-Renault N., Jaffrezic H., Martelet C. Multi- biosensor based on enzyme inhibition analysis for determination of different toxic substances / / Talanta.—2001.—55.— P. 919—927. 53. Kubo I., Karube I. Immobilization of creatinine diaminase on a substituted poly (methylglutamate) membrane and its use in a creatinine sensor / / Anal. chim. acta.—1986.—187.—P. 31 — 37. 54. Soldatkin A. P., Montoriol J., Sant W., Martelet C, Jaffrezic- Renault N. Creatinine sensitive biosensor based on ISFETs and creatinine deiminase immobilised in BSA membrane / / Talan ta.—2002.—58.—P. 351—357. 55. Soldatkin A. P., Montoriol J., Sant W., Martelet C, Jaffrezic- Renault N. Development of potentiometric creatinine-sensitive biosensor based on ISFET and creatinine deiminase immobi lised in PVA-SbQ photopolymeric membrane / / Materials Sci. and Eng. C—2002.—21.—P. 75—79. 56. Mai Anh Т., Dzyadevych S. V., Soldatkin A. P., Due Chien N., Jaffrezic-Renault N., Chovelon J.-M. Development of tyrosinase biosensor based on pH-sensitive field-effect transis tors for phenols determination in water solutions / / Talanta.— 2002.—56.—P. 627—634. 57. Dzyadevych S. V., Mai Anh Т., Soldatkin A. P., Due Chien N., Jaffrezic-Renault N., Chovelon J.-M. Development of enzyme biosensor based on pH-sensitive field-effect transistors for detection of phenolic compounds / / Bioelectrochemistry.— 2002.—555.—P. 79—81. 58. Korpan Y. I., Soldatkin A. P., Gonchar M. V., Sibirny A. A., Gibson T. D., Etskaya A. V. A novel enzyme biosensor specific for formaldehyde based on pH-sensitive field effect transistors / / J. Chem. Technol. and Biotechnol.—1997.—68.—P. 209— 213. 59. Korpan Y. 1., Dzyadevich S. V., Arkhipova V. N., Gonchar M. V., Gibson T. D., Jaffrezic-Renault N., Martelet C, Soldatkin A. P. Enzyme-based electrochemical sensors for formaldehyde detection / / Sensors and Materials.—2000.—12, N 2.— P. 79—86. 60. Soldatkin A. P., Gorchkov D. V., Martelet C, Jaffrezic- Renault N. New enzyme potentiometric sensor for hypochlorite species detection / / Sensors and Actuators B.—1997.—43.— P. 99—104. 61. Солдаткін О. П. Біосенсори на основі холінестераз для аналізу пестицидів, іонів важких металів та гіпохлориту / / Биополимеры и клетка.—1998.—14, № 1.—С. 23—28. 62. Солдаткін О. П. Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів / / Биополи меры и клетка.—1997.—13, № 5.—С. 1—3. 63. Korpan Y. I., Volotovsky V. V., Martelet C, Jaffrezic-Renault N., Nazarenko E. A., Etskaya A. V., Soldatkin A. P. A novel enzyme biosensor for steroidal glycoalkaloids detection based on pH-sensitive field effect transistors / / Bioelectrochemis try.— 2002.—55.—P. 9—11. 64. Arkhypova V. N., Dzyadevych S. V., Soldatkin A. P., Etskaya A. V., Martelet C, Jaffrezic-Renault N. Development and optimisation of biosensors based on pH-sensitive field effect transistors and cholinesterases for sensitive detection of solana- ceous glycoalkaloids / / Biosensors and Bioelectronics.— 2003.—18.—P. 1047—1053. 65. Kharitonov А. В., Zayats M., Alfonta L., Katz E., Willner J. A novel ISFET-based NAD+-dependent enzyme sensor for lactate / / Sensors and Actuators В.—2001 —76.—P. 203— 210. 66. Kawabe Т., lijima N., Mitamura T. ISFET type threonine sensor using threonine deaminase from thermophilic bacterium / / Denki Kagaku.—1985.—53.—P. 514—515. 67. lida Т., Kawabe Т., Noguchi F. ISFET-type L-glutamate sensor using thermophilic glutamine synthetase from ther mophilic bacterium / / Nippon Kagaki Kaishi.—1987.—10.— P. 1817—1821. 68. Белоиван О. А., Солдаткин А. П., Стародуб H. Ф., Ельская А. В. Протеолитический биосенсор на основе рН-чувствительных полевых транзисторов. 1. Изучение сравнительных характеристик нативного и иммобилизо ванного трипсина для создания биосенсора / / Укр. биохим. журн.—1996.—12, № 3.—С. 27—33. 69. Белоиван О. А., Солдаткин А. П., Стародуб Н. Ф., Ельская А. В. Протеолитический биосенсор на основе рН-чувствительных полевых транзисторов. 2. Характери стика работы в модельных условиях / / Укр. биохим. журн.—1996.—12, № 4.—С. 25—30. 70. Дзядевич С. В., Солдаткін О. Л. Кондуктометричний метод у ферментативному аналізі / / Укр. біохім. журн.— 1994.—66, № 4.—С. 30—42. 71. Дзядевич С. В. Амперометрические биосенсоры. Совре менные технологии и коммерческие варианты анализа торов. / / Біополімери і клітина.—2002.—18, № 5.— С. 363—376. 72. Hanazato Y., Nakako M., Maeda M., Shiono S. Glucose sensor based on a field effect transistors with a photo- lithographically patterned glucose oxidase membrane / / Anal, chim. acta.—1987.—193.—P. 87—96. 73. Kurojama Т., Kimura J., Kawana Y. A single chip biosensors / / NEC Res. Devices.—1985.—78.—P. 1—5. 74. Nakamoto S., Ito N.. Kuriyama Т., Kimura J. A lift-off method for patterning enzyme-immobilized membranes in multi- biosensors / / Sensors and Actuators.—1988.—13.—P. 165— 172. 75. Архипова В. H., Дзядевич С. В., Щувайло О. #., Сол даткин А. П., Ельская А. В., Жафрезик-Рено Н., Жаф- резик Г., Мартле К. Концепция мультибиосенсора для определения различных токсичных веществ на основе фер ментного ингибиторного анализа / / Біополімери і клі тина.—2001.—17, № 1.—С. 70—77. 76. Kukla A. L., Kanjuk N. I., Starodub N. F., Shirshov Yu. M. Multienzyme electrochemical sensor array for determination of heavy metal ions / / Sensors and Actuators B.—1999.—57.— P. 213—218. 77. Канюк M. І., Стародуб В. M., Кукла О. Л., Ширшов Ю. М. Потенціометричні напівпровідникові сенсори на основі ферментів / / Укр. біохім. журн.—2002.—74 (46, част. 2).—С. 183—184. УДК 577.15; 573.6 Надійшла до редакції 14.05.03 16

Биосенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов: теория, технология, практика

Репозитарії

Схожі ресурси