- •Общие вопросы автоматизации измерений
- •Механизация и автоматизация лабораторий
- •Дискретные анализаторы
- •Непрерывные анализаторы
- •Непрерывный проточный анализ (нпа)
- •Проточно-инжекционный анализ (пиа)
- •Центрифужные анализаторы
- •Элементные анализаторы
- •Лабораторные роботы
- •Химические сенсоры
- •Потенциометрические сенсоры
- •Газочувствительные сенсоры
- •Биокаталитические мембранные сенсоры
- •Амперометрические сенсоры
- •Кондуктометрические сенсоры
- •Оптические сенсоры первого поколения
- •Сенсоры с системами распознавания
- •Оптроды третьего поколения
- •Термические (калориметрические) сенсоры
- •Гравиметрические сенсоры
- •Многоканальные сенсоры
- •Автоматизированный контроль производственных процессов
- •Анализ на основе неселективных характеристик
- •7.4. Литература
- •Иммунный анализ
- •Введение
- •Варианты анализа
- •Конкурентный анализ
- •Сандвичевый анализ
- •Варианты устройства
- •Эффекты поверхностной иммобилизации
- •Физические методы разделения связанной и свободной метки
- •Адсорбция на твердых частицах
- •Метки Радиоактивные метки
- •Гаптены и полипептиды
- •Частицы, рассеивающие свет, в качестве меток
- •Флуоресцентные и хемилюминесцентные метки
- •Ферментные метки
- •7.9.4. Мешающие влияния
- •Эффективная концентрация определяемого вещества
- •Эффективность связывания антител
- •D Биосенсоры—это аналитические устройства.
- •Биораспознающий компонент и преобразователь
- •Создание биологической поверхности
- •Методы иммобилизации
- •Подготовка биопреобразования Амперометрические сенсоры
- •Потенциометрические сенсоры
- •Оптические сенсоры
- •Оптическое детектирование без метки
- •7.8.4. Заключение
- •Обработка сигналов: цифровая фильтрация, преобразование данных
- •Отношение сигнал-шум
- •Аналоговые и цифровые фильтры
- •Фильтрация при помощи скользящего среднего
- •Полиномиальное сглаживание: фильтр Савицкого-Голея
- •Дифференцирование и интегрирование данных
- •4.3 Фильтрация данных с предварительным преобразованием сигнала
- •Фурье-преобразование
- •Дискретное фурье-преобразование
- •Обратное фурье-преобразование
- •Фильтрация данных при помощи фурье-преобразования
- •Литература.
-
Биокаталитические мембранные сенсоры
Еще одна разновидность сенсоров представляет собой сочетание ионселективных электродов с биохимическими реакциями, катализируемыми ферментами, например, превращением мочевины в аммиак и диоксид углерода. Образующиеся продукты можно определять, в частности, при помощи газочувствительных сенсоров, описанных выше. С помощью биокаталитических сенсоров обычно определяют вещества, представляющие интерес для биологии и биохимии, в том числе достаточно сложные органические молекулы. В биосенсорах можно использовать простые в эксплуатации ионселективные
электроды с малым временем отклика. Применение биологических катализаторов — ферментов — обеспечивает высокоселективное протекание реакций в мягких, с точки зрения величин рН и температуры, условиях при минимальном расходе субстрата.
Чтобы предотвратить потери достаточно дорогого фермента, его иммобилизуют. Иммобилизацию можно осуществлять как непосредственно на поверхности мембраны, так и в специальном слое, покрывающем мембрану.
Примером субстрат-селективного мембранного электрода может служить электрод для определения мочевины на основе аммоний-селективного стеклянного электрода. Ион аммония является одним из продуктов реакции гидролиза мочевины, протекающей под действием фермента уреазы:
(7.5)
Уреазу иммобилизуют в полиакриламидном слое, нанесенном на поверхность аммоний-селективного электрода (рис. 7.16). К сожалению, исходный электрод недостаточно селективен к ионам аммония, поэтому при анализе биологических жидкостей заметно мешающее влияние ионов натрия и калия.
Рис. 7.16. Устройство био-каталитического мембранного сенсора на основе аммонии-селективого электрода и фермента уреазы
Вместо стеклянного электрода можно использовать газочувствительный электрод для определения аммиака описанного выше типа. Однако у такого электрода невелика чувствительность, поскольку оптимальные значения рН для протекания ферментативной реакции (около 7) и для определения аммиака (8—9) различаются.
Выпускаемые промышленностью тест-системы для массовых определений мочевины устроены как проточные реакторы с иммобилизованным ферментом. Раствор пробы пропускают через такой реактор, затем подщелачивают и определяют выделившийся аммиак при помощи газочувствительного датчика (см. табл. 7.6).
Сенсоры на основе полевых транзисторов
Все рассмотренные ранее типы потенциометрических сенсоров включают чувствительную мембрану, электрический контакт которой с остальными элементами цепи осуществляется посредством раствора электролита. Для усиления и регистрации электрического сигнала в этом случае необходимо отдельное устройство.
Однако возможно интегрирование сенсора и устройства для последующей обработки сигнала в одно целое, если использовать полевые транзисторы. Такие сенсоры, впервые разработанные Бергвель-дом, называются химическими или ионселективными полевыми транзисторами (ИСПТ). Основой ИСПТ служит известное микроэлектронное устройство — металлооксидный полевой транзистор (рис. 7.17). Он состоит из кремниевой подложки с р-проводимостью, контактирующей с двумя областями из кремния с n-проводимостью. Эти области называются истоком и стоком и посредством металлических контактов (напыленный алюминиевый слой) могут быть включены в электрическую цепь. Подложка, сток и исток покрыты слоем изолятора, диоксида кремния. У транзистора, изображенного на рис. 7.17, имеется еще один дополнительный защитный слой из нитрида кремния.
Рис. 7.17. Схема устройства металлооксидного полевого транзистора.
Если к истоку и стоку приложить напряжение uds, то между ними не потечет никакой ток, поскольку в любом случае один из р-n-переходов — между истоком и подложкой или подложкой и стоком — окажется запертым. Однако полевой транзистор содержит еще один электрод, называемый затвором. Он отделен от подложки изолирующим слоем из диоксида кремния.
Если приложить напряжение к затвору и подложке С/с?, то в канале (слое подложки между истоком и стоком) возникнет электрическое поле. Под его воздействием между истоком и стоком начнет протекать ток ids- Величина этого тока зависит от приложенного напряжения ug, причем вполне измеримый ток будет наблюдаться даже при очень малом значении ug- В то же время, поскольку затвор отделен от подложки слоем диэлектрика, ток между затвором и подложкой пренебрежимо мал. Полевые транзисторы очень удобны как высокоомные входы вольтметров для потенциометрических измерений и часто используются там в качестве усилителей. Зависимость силы тока ids B цепи исток-сток от напряжения uq называется вольтамперной характеристикой полевого транзистора.
Рис. 7.18. Сенсор на основе ионселективного полевого транзистора (ИСПТ).
Для создания ионсепективного электрода на основе полевого транзистора достаточно заменить слой SiC>2, отделяющий затвор от подложки, на соответствующую ионселективную мембрану (рис. 7.18). Контакт в этом случае осуществляется посредством обычного электрода сравнения. В присутствии иона, к которому чувствительна мембрана, ее потенциал изменяется. Напряжение ug, подаваемое на затвор, складывается с напряжением, возникающим на мембране. Это приводит к параллельному сдвигу вольтамперной характеристики транзистора на величину, равную изменению потенциала мембраны. В идеальном случае для однозарядного иона величина этого сдвига в соответствии с уравнением Нернста составляет 59 мВ при изменении концентрации иона в 10 раз (рис. 7.19).
На практике при потенциометрических измерениях с использованием ИСПТ обычно силу тока в цепи исток-сток поддерживают постоянной, изменяя для этого соответствующим образом напряжение на затворе. Это изменение напряжения линейно связано с логарифмом активности потенциала определяющего иона в соответствии с уравнением Нернста.
Рис. 7.19. Вольтамперные характеристики ИСПТ. Сила тока IDS определяется суммой внешнего напряжения ug и потенциала мембраны
Таблица 7.7. Примеры химически селективных полевых транзисторов.
Тип |
Затвор |
Определяемые вещества |
Газочувствительные ПТ |
Pd |
Н2, NH3, CO |
Ионселективные |
Та205, А120з, BN |
Н+ |
|
Газопроницаемые мембраны + А12Оз |
NH3, CO2 |
|
валиномицин |
К+ |
Ферментные |
гель, полимер с иммобилизованным ферментом |
пенициллин, ацетилхо-лин |
Иммунные |
антигены или антитела |
альбумин |
Впервые ИСПТ были применены для измерения рН. Для этого в качестве чувствительного слоя в принципе возможно использовать даже слой SisN4, уже имеющийся в стандартных полевых транзисторах, однако в этом случае чувствительность невелика. Теоретическая нернстовская величина наклона градуировочной зависимости достигается при использовании слоя Ta2Os- Другие примеры применения полевых транзисторов для определения различных веществ — ионов, газов, ферментов и антител — приведены в табл. 7.7. Принципиально возможно использование в полевых транзисторах ион-селективных мембран всех типов, применяющихся в обычных ИСЭ.
Это открывает возможности к созданию разнообразных микроэлектронных сенсоров.
Принцип действия ферментных сенсоров такой же, как и у рассмотренных ранее аналогичных сенсоров на основе обычных ИСЭ. Одним из примеров иммунных методов анализа может служить радиоиммунный анализ (раздел 3.6).
В ходе разработки особо миниатюрных сенсоров на базе полевых транзисторов порой возникает ряд неожиданных проблем. В элементах микроэлектронной техники некоторые позиции очень чувствительны к воздействию окружающей среды, и при изготовлении серийных изделий их герметично изолируют слоем пластмассы или керамики. Для создания сенсоров это покрытие бывает необходимо удалить. Однако в этом случае показания сенсора часто оказываются очень нестабильными, сильно зависящими от атмосферной влажности, колебаний температуры или воздействия различных видов излучения. Причина состоит в том, что при таких малых размерах начинают сказываться факторы, которые при работе с изделиями большего размера пренебрежимо малы. В частности, это могут быть эффекты, связанные с поверхностным натяжением, явлениями диффузии, ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, квантовомеха-ническими туннельными эффектами.