1.2.7. Ионоселективные полевые транзисторы

Полевой транзистор – это полупроводниковый усилитель, управ­ляемый электрическим полем. Электрод, на который подается электрический сигнал, используемый для управления величиной тока, называют затвором. Идея ионоселективного полевого транзистора (ИСПТ) – заменить затвор полевого транзистора ионочувствительной мембраной так, чтобы силой тока управляла концентра­ция (активность) потенциал определяющих ионов в растворе.

С помощью мембран, потенциал которых зависит от концентрации ионов в растворе, ИСПТ приобретают химическую селективность. В ИСПТ применяют те же мембраны, которые разработаны для ИСЭ. Из неорганических материалов наилучшими характеристиками обладают AI₂O₃ и Ta₂O₅ обеспечивающие измерение рН, при времени срабатывания не более нескольких секунд. В настоящее время разработаны ИСПТ на основе бромида серебра, селективные к бромид-ионам; алюмосиликатного и боросиликатного стекла для измерения рNa в диапазоне от 0 до 5.

Из полимерных мембран в сочетании с ИСПТ детальнее других изучены мембраны, чувствительные к ионам калия и кальция. Описаны также ИСПТ с гетерогенными полимерными мембранами на основе солей серебра, чувствительные к хлорид-, иодид- и цианид-ионам. Хлорид-селективные мембраны изготавливают из смеси хлорида и сульфида серебра, а мембраны, чувствительные к иодид-ионам, из смеси иодида и сульфида серебра в полифторированном фосфазине.

Одно из основных преимуществ ИСПТ в том, что в таких датчиках нет электрических соединений между мембраной и усилителем. При этом отпадает необходимость в громоздких экранированных кабелях. Существенно снижается и уровень шума. Эти преимущества, а также миниатюрность ИСПТ (доли миллиметра), делают их идеальным инструментом для контроля концентраций различных ионов в живых организмах, когда важную роль играют размеры как датчика, так и соединяющих кабелей. Развитие твердотельной электроники позволило разработать миниатюрные, легкие и достаточно прочные ИСПТ. Поскольку размер полевого транзистора на поверхности кристалла кремния может быть очень малым, то принципиально возможно создание датчиков, способных одновременно определять несколько ионов. Не представляет затруднений создание на полупроводниковой подложке и схемы преобразования сигнала в цифровую форму. Наконец, поскольку микросхемы производятся тысячами на одной кремниевой пластине, их стоимость может быть достаточно низкой. Хотя возможности ИСПТ только начинают изучаться, они являются весьма перспективными с точки зрения потенциальных преимуществ перед потенциометрическими датчиками других типов.

1.2.8. Ионоселективные микроэлектроды

Ионоселективные микроэлектроды находят применение главным образом для измерения активности ионов в отдельных клетках и биологических тканях. Их изготавливают на основе микропипеток с помощью вытягивающих устройств. Чаще всего применяют следующие ионоселективные микроэлектроды: стеклянные – для измерения рН и определения ионов натрия в межклеточной жидкости, твердые мембранные (для определения хлорид-ионов) и жидкостные мембранные – для определения ионов калия, хлора и кальция. Среди них наибольшее распространение получили стеклянные микроэлектроды. Применяются два типа стеклянных микроэлектродов: копьевидной формы и с заглубленным кончиком. В первом случае микроэлектрод вытягивают из капилляра ионообменного стекла, изолируют с внешней стороны и вставляют в микропипетку из неактивного стекла. Роль мембраны выполняет копьевидный кончик микроэлектрода. В микроэлектроде другой конструкции внешнюю микропипетку выдвигают относительно кончика микроэлектрода и прочно скрепляют с последним таким образом, чтобы контакт мембраны с раствором осуществлялся в пространстве между капиллярами.

Активность хлорид-ионов в клетках измеряют с помощью твердых микроэлектродов второго рода, покрывая кончик инертного металлического микроэлектрода мембранным материалом, например AgCl. Разработаны твердые микроэлектроды с мембраной из смеси Hg₂Cl₂ и Hg₂S, которые применяются для определения ионов хлора в растительных тканях.

В последнее время в практике лабораторных физиологических исследований находят применение ионоселективные микроэлектроды на основе мембран с подвижными носителями. Схема такого электрода приведена на рис. 9. Созданы также микроэлектроды, внутренняя сторона микропипетки которых выполняет роль электрода сравнения.

Рис. 9. Схема калий-селективного микроэлектрода

1 – жидкий ионообменник; 2 – 0,5 моль/л раствор KCl; 3 – слой масла;

4 – вспомогательный электрод

Следует заметить, что при измерениях в одной клетке измеряемый потенциал необходимо корректировать на велечину её мембранного потенциала. Последний измеряют с помощью микропипетки, введенной в клетку и соединенной с электродом сравнения.

============================================================