Химически чувствительные полевые транзисторы и биосенсоры на их основе. Кондуктометрические и амперометрические сенсоры

Цель лекции: сформировать у слушателей общее представление об электрохимических биосенсорах и принципах их функционирования. Объяснить устройство и работу химически чувствительных полевых транзисторов, их достоинства. Показать перспективность создания биоселективных полевых транзисторов с высаженными на них живыми клетками. Объяснить принципы действия кондуктометрических, импедансных, амперометрических и кулонометрических электрохимических сенсоров. Указать на их полезные особенности. Привести примеры таких сенсоров и очертить области их эффективного применения.

16.1. Электрохимические биосенсоры

"Принципы работы электрохимических сенсоров. Потенциометрические сенсоры" мы закончили рассказом о потенциометрических биосенсорах, в которых в качестве модификатора применяют природные ферменты. Здесь мы продолжим эту тему и вкратце расскажем об электрохимических биосенсорах в целом. Ведь для "распознавания" аналита в электрохимических сенсорах, кроме ферментов, могут быть применены также и другие биологические структуры: нуклеиновые кислоты, антитела, живые клетки и даже живые рецепторы, взятые из животных, растений, микроорганизмов [208, 285]. Поскольку все они имеют биологическое происхождение, и именно они обеспечивают селективную реакцию на нужный аналит, то все такие структуры стали называть " биоселекторами ". Иммобилизованный (т.е. осажденный и закрепленный) на электроде или на мембране биоселектор при наличии в контролируемой среде аналита вступает с ним (и только с ним!) в специфическое взаимодействие. Биоселектор подбирают так, чтобы в результате взаимодействия с аналитом возникали (или, наоборот, расходовались) электрохимически активные продукты (ионы, аммиак, перекись водорода, фтор, и т.п.). Изменение их концентрации улавливает селективно чувствительный к ним электрохимический элемент, вырабатывая соответствующий электрический сигнал. Этот сигнал усиливается и обрабатывается в электронном блоке.

Общая функциональная схема электрохимических биосенсоров показана на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Функциональная схема электрохимического биосенсора

При реализации электрохимических биосенсоров особенно перспективно воспользоваться одним из выдающихся достижений современной биотехнологии и биоинженерии, а именно – хорошо отработанными методами осаждения живых клеток на полимеры и на твердые подложки разной природы с целью организации управляемого биосинтеза, для анализа, для решения медицинских задач и т.п. [ [ 182 ] , [ 236 ] ].

Живые клетки растений, животных и особенно микроорганизмов легко доступны, могут культивироваться и воссоздаваться в чистой культуре. В отличие, например, от ферментов здесь не нужны значительные затраты на выделение и очищение. Для многих видов клеток разработаны эффективные методы генетических манипуляций, позволяющие получать мутанты с высоким содержанием того или иного фермента либо белка. Особенности метаболизма клеток позволяют подбирать клетки как избирательно чувствительные к отдельным видам молекул, так и ориентированные на довольно широкие классы химических веществ (даже, например, на весь класс веществ, пригодных для биологического усвоения). Разработанные методы иммобилизации живых клеток позволяют поддерживать их жизнеспособность и активность в течение нескольких лет.

Особенно выигрышно сочетать преимущества живых клеток в качестве биоселекторов с преимуществами химически чувствительных полевых транзисторов, к описанию которых мы переходим.

16.2. Химически чувствительный полевой транзистор

16.2.1. Структура и принцип действия

Значительный вклад в совершенствование электрохимических сенсоров внесло применение МДП транзисторов, структура и принцип действия которых рассмотрены в "Сенсоры на полевых транзисторах и на приборах с отрицательной ВАХ. Газоразрядные сенсоры" (раздел 3). На рис. 16.2 показаны дополнительные элементы структуры, которые делают такой транзистор химически чувствительным. Вентильный электрод здесь может и отсутствовать. Вместо него на тонкий слой диэлектрика наносят чувствительную мембрану, которая и обеспечивает селективную реакцию транзистора на определенные химические вещества. Транзистор со всех сторон, кроме этой мембраны, защищают изолирующим компаундом, поверх которого наносят электрод сравнения.

Рис. 16.2. Структура химически чувствительного полевого транзистора (ХЧПТ)

Перед измерением сверху на чувствительную мембрану капают небольшое количество контролируемого раствора так, чтобы он покрыл часть нанесенного поверх компаунда электрода сравнения. В другом варианте ХЧПТ погружают в контролируемый раствор.

При измерениях между электродом сравнения и основой из кремния -типа подают постоянное напряжение смещения с таким расчетом, чтобы при отсутствии в контролируемом растворе аналита в приповерхностной области кремния между истоком и стоком образовался тонкий индуцированный канал -типа. Между истоком и стоком подают небольшое напряжение и измеряют электрический ток, который протекает через транзистор. Как описано в лекции 10, этот ток зависит от потенциала на затворе транзистора. В данном случае роль затвора играет химически чувствительная мембрана. Как только в контролируемом растворе появляется аналит или возрастает его концентрация, то изменяется перепад потенциала на электроде сравнения и потенциал чувствительной мембраны. Это приводит к соответствующему изменению электрического тока через транзистор, которое легко измеряется.

Преимуществами ХЧПТ как электрохимического сенсора являются обычно присущая ему высокая чувствительность, малые габариты и энергопотребление, возможность формирования на том же кристалле кремния в едином технологическом процессе также всех электронных схем, необходимых для обработки полученных сигналов, для уменьшения влияния помех и шумов, для термокомпенсации. Преимуществами являются, конечно, и относительно небольшая цена, и малый требуемый объем пробы [ [ 208 ] , [ 286 ] ].

16.2.2. Ионоселективный полевой транзистор

Чтобы повысить селективность химически чувствительного полевого транзистора по отношению к определенному виду ионов, используют разные способы, в первую очередь, – модификацию. Например, достаточно селективный отклик на ионы водорода получают заменой тонкого слоя окисла над инверсионной областью МДП транзистора на тонкий слой нитрида кремния ( ). Такой транзистор называют " -селективным".

Натрий ( )-селективный полевой транзистор формируют посредством нанесения на тонкий слой подзатворного диэлектрика боросиликатного стекла нужного состава.

Если на тонкий слой диэлектрика нанести полимерную пленку с примесью валиномицина или краун-эфира, то полевой транзистор становится калий ( )-селективным.

Если же полимерную пленку модифицировать -(1,1,3,3-тетраметил-бутил)-фенилфосфорной кислотой, то полевой транзистор становится -селективным [ [ 339 ] ].

Модифицированные таким образом полевые транзисторы называют ионоселективными (сокращенно "ИСПТ").

В [ [ 339 ] ] описан миниатюрный потенциометрический сенсор на ИСПТ, предназначенный для одновременного измерения в контролируемом растворе концентрации 4-х вышеупомянутых видов ионов. Этот мультисенсор состоит из пяти ИСПТ, сформированных на одном кристалле кремния ( рис. 16.3). Один из них является -селективным, второй – натрий-селективным, третий – калий-селективным, четвертый – кальций-селективным. Пятый используется в качестве опорного полевого транзистора, затвор которого выполняет роль электрода сравнения. На этом же кристалле кремния сформированы также все необходимые электронные схемы обработки и усиления измерительных сигналов. Весь кристалл с внешними выводами, кроме зоны контакта с контролируемым раствором, защищают изолирующим компаундом. При измерениях кристалл на некоторое время опускают в контролируемый раствор или капают на него контролируемый раствор сверху. Внешние выводы соединены с небольшим электронным блоком, на дисплей которого и выводятся результаты измерения.

Рис. 16.3. "Линейка" из пяти ионоселективных полевых транзисторов: ИСПТ0 – опорный полевой транзистор; ИСПТ1 – рН-чувствительный полевой транзистор; ИСПТ2 – Na+-селективный полевой транзистор; ИСПТ3 – калий-селективный полевой транзистор; ИСПТ4 – кальций-селективный полевой транзистор

16.2.3. Биоселективный полевой транзистор

Представим теперь себе, что на чувствительной поверхности ХЧПТ методами биоинженерии и микробиологии, высажена живая клетка, избирательно реагирующая на то или иное внешнее влияние, и что естественная реакция высаженной клетки на это влияние изменяет электрический ток через ХЧПТ. Это может происходить как непосредственно, если реакция высаженной клетки состоит в изменении ее собственного электрического потенциала, а значит, и потенциала затвора ХЧПТ, так и опосредованно, если клетка реагирует на внешнее влияние рядом биохимических реакций, продукты которых являются электрохимически активными. Вследствие этого мы получаем очень чувствительный биоэлектронный сенсор. Учитывая очень малые размеры как ХЧПТ, так и осаждаемых на них клеток-рецепторов, на одном кристалле кремния можно создать довольно большой массив чувствительных к разным аналитам сенсоров. Тогда кристалл параллельно будет собирать информацию о довольно детальном химическом составе внешней среды и об изменениях, которые в ней происходят. А созданный на основе такого массива интеллектуальный электрохимический биосенсор будет соответствующим образом обрабатывать всю эту информацию и выдавать ее в готовом виде пользователю или в компьютерную сеть. Создание таких интеллектуальных сенсоров стало уже делом сегодняшней науки и технологии.