Sensori di Silicio. Concetto di Biosensore: trasduttore (misura) + componente biologica (selettivita )

Transcript

1 enori di ilicio Concetto di Bioenore: trduttore (miur) componente iologic (elettivit )

2 Ion enitive FET (IFET) L IFET e un dipoitivo che miur l concentrzione di ioni in oluzione. L u truttur e fondmentlmente quell di un MOFET in cui l metllizzzione di gte i tt elimint llo copo di eporre l iolnte ll oluzione elettrolitic d nlizzre. Non i trtt in effetti, nell u form e, di un ioenore (non contiene un componente iologic), m di un chemoenore. L funzionlit dell IFET deriv dl ftto che l iolnte e in grdo di generre un potenzile ll interfcci con l oluzione dipendente dll concentrzione di ioni nell oluzione te. Come coneguenz, l corrente di drin nel emiconduttore, cmi. Oervimo l truttur dell IFET: l ol differenz ripetto l MOFET e l otituzione del metllo con l erie elettrolit/elettrodo di riferimento. Quet ultimo erve polrizzre l interfcci e l u differenz di potenzile ripetto ll oluzione e tile e non vri in prticolre con il p dell oluzione te.

3 truttur dell IFET

4 Ion enitive FET (IFET) L eniilit l p di quet truttur nce dll eniilit dell iolnte, che puo eere io, AlO3, i3n4, TO5. Ogni iolnte h un u truttur uperficile microcopic, con diveri gruppi in grdo di cricri e epoti ll oluzione. Alcuni gruppi regicono con l nlit in modo cido (cioe donno protoni ) oppure in modo ico (ctturndo protoni). Il potenzile uperficile che i form come coneguenz vri tr i 5 mv/p del io e i 59 mv/p del TO5. Il tempo di ripot e determinto dll cinetic delle rezioni uperficili, e di olito e dell ordine dei milliecondi. Il emiconduttore che compone l truttur e eniile inoltre Tempertur e Luce (d notre che il emiconduttore non e protetto dl metllo di gte), percio per evitre che quete vrizioni pono influenzre le miure, di olito i fnno delle miure differenzili undo dipoitivi identici ffincti, uno olo dei quli e epoto lle vrizioni di p. Il ruolo dell elettrodo di riferimento e quello di fornire un cdut di potenzile cotnte ripetto ll oluzione.

5 Ion enitive FET (IFET) Uno dei vntggi del relizzre un pmetro in ilicio, e quello di poter fruttre le potenzilit di miniturizzzione e di integrzione dell microelettronic. Purtroppo l neceit di un elettrodo di riferimento per effetture le miure, limit un po quet potenzilit dl momento che non ci ono metlli che pono eere uti in microelettronic e che pono comportri come elettrodi di riferimento ideli. Di olito i u come elettrodo di riferimento (mcrocopico), l elettrodo Ag/AgCl, formto d un filo di Argento ricoperto d uno trto di cloruro d rgento e immero in un oluzione di CL con un concentrzione elevt e cotnte di Cl. All interfcci vviene l rezione: Crtterizzt dl potenzile di Nernt: e V e il potenzile dell elettrodo, Cl- e concentrzione di ioni che e tile nell prticolre configurzione dell elettrodo Ag/AgCl, che viene circondto d un oluzione di Cl. AgCl Ag Cl RT V V0 ln Cl I

6 Ion enitive FET (IFET) Ogni trnitor d effetto di cmpo e crtterizzto d un tenione di ogli, u volt correlt ll tenione di Flt Bnd. ono queti due prmetri (e come coneguenz l corrente di drin) che nell IFET ono direttmente correlili lle vrizioni di p. Coniderimo il item EI nel uo compl: Metllo/i/Iolnte/Elettrolit/Elettrodo/Metllo e coniderimo l tenione di Flt Bnd di quet truttur: V FB ( E ϕ ) ( ϕ χ ) φ ref ij Eref e il potenzile dell elettrodo di riferimento ripetto l vuoto (i potenzili degli elettrodi di riferimento ono normlmente miurti ripetto ll elettrodo ll idrogeno; per ottenere il vlore ripetto l vuoto occorre ommre 4.7 V). Φij e l differenz di potenzile tr l elettrodo e l oluzione; Φ e l cdut di potenzile tr l elettrolit e l iolnte; χe e il potenzile dovuto i dipoli uperficili in oluzione; Φi e l funzione lvoro del ilicio, Qo e Cox l cric e l cpcit dell oido (per unit di re). e i Q C 0 ox

7 Ion enitive FET (IFET) Nel MOFET, l tenione di Flt Bnd h un epreione molto piu emplice: V φm φi Q FB 0 q q Cox Percio poimo eprimere l VFB dell IFET come: V FBIFET V FBMOFET E ref ϕ ij χ ϕ e φ Il termine che rende conto dell enitivit dell IFET l p e principlmente φ. Tle cdut di potenzile e origint dll interzione dei gruppi uperficili preenti ull iolnte con gli ioni dell oluzione. I gruppi uperficili poono eere di un olo tipo come per il io o di piu tipi diveri. In ogni co ono preenti in denit crtteritiche ulle uperfici degli iolnti. Ei poono vere crttere cido, ico o nfotero (cioe poono comportri in entrmi i modi). Coniderimo un co generle di un generico gruppo A-O (neutro) che puo cedere un protone (A-O - ) o cquitrlo (A- O ). M

8 Vlgono le relzioni eguenti: A O A O A O A O Ion enitive FET (IFET) con con A O L concentrzione di protoni in uperficie i puo ottenere come: A O A O A O A O A O Qundo l uperficie riult neutr, cioe i gruppi poitivi uguglino in concentrzione quelli negtivi, i h: p log log Quet prticolre ituzione corriponde l punto di cric null dell uperficie (pzcp).

9 Ion enitive FET (IFET) Coniderndo l concentrzione totle di iti uperficili N, i h: N O A N O A O A O A O A N A queto punto ricordimo l definizione dell cpcit di uffer pplicndol ll uperficie, come il rpporto tr l (piccol) concentrzione di cido o e forte d ggiungere ll oluzione per ottenere un dt vrizione di p. O A O A B con dp d d B d dp B d β.3 ) ( 4 N β

10 Ion enitive FET (IFET) Percio, l cpcit di uffer dell uperficie ument con N e con. A cu dell cpcit di uffer dell uperficie, il p uperficile non egue ettmente l ndmento del p del ulk e queto d luogo l potenzile φ come previto dll ditriuzione di Boltzmnn. dcui ϕ qϕ e / kt kt.3 ( p p) q Richimndo un riultto dell equzione di Poion-Boltzmnn, i puo ottenere l denit di cric dello trto diffuo come: σ d zqϕ 8kTε0ε c0 inh r σ kt e definire l cpcit differenzile C come: dσ - dϕ d dσ d ϕ C

11 Ion enitive FET (IFET) Percio, un vrizione di p nel ulk induce un vrizione di p in uperficie che u volt induce un vrizione del potenzile φ: dϕ dp dσ dp dϕ dσ qβ C Quet relzione ci dice che l vrizione di φ con il p e tnto mggiore qunto piu grnde e β e qunto piu piccolo e C. Percio, dll relzione: ϕ Ricvimo: dϕ dp D cui: kt.3 ( p p) q kt dp.3 ( q dp dϕ dp kt dp 1).3 ( q dϕ.3 kt q dp dϕ dϕ dp 1) kt q 1 kt C.3 q β.3. 3 kt.3 q 1 1 kt α q

12 Ion enitive FET (IFET) Come i puo notre, α e un prmetro dimenionle che vri d 0 1 econd di β e di C. Percio l enitivit l p di un iolnte vle l mimo.3 kt/q che T miente vle circ 59 mv (vlore eiito dll oido di Tntlio che h un grnde vlore di β e un piccolo vlore di C). Co uccede ll IFET e i vri improvvimente l concentrzione di ioni (non ) in oluzione (tep ionico)? Occorre coniderre d un lto cio che vviene nel ulk dell oluzione e dll ltro cio che vviene in uperficie. Nell intervllo di tempo che epr le due ituzioni di equilirio, inizile e finle, il potenzile uperficile vri, per effetto dell poiile vrizione dell cric nel ulk. Ad eempio, e ggiungo Cl d un oluzione di Cl con concentrzione cotnte, il p delle due oluzioni e identico, pertnto l ripot regime dell IFET deve eere ugule. Pero nel trnitorio, l ggiunt di ioni Cl- puo indurre un temporne diminuzione di ioni nel ulk e come coneguenz un vrizione del potenzile in uperficie. M l iolnte gice come un uffer, percio riponde ll vrizione del potenzile uperficile con un diocizione di gruppi AO

13 Ion enitive FET (IFET) In modo d ripritinre l te concentrzione di ioni in uperficie e, come coneguenz, lo t potenzile uperficile. L vrizione temporne del potenzile uperficile e un funzione dell vrizione di concentrzione ionic nell oluzione che puo percio venire miurt trmite quet miur. Vrizioni tempornee di forz ionic delle oluzioni poono vvenire pontnemente nei mezzi extrcellulri. Pertnto l regitrzione di queti eventi trmite un IFET puo dre delle interenti informzioni nel co di colture cellulri (giunzioni neuroelettronic)

14 Come i polrizz un IFET Un ifet puo lvorre tenioni cotnti (miurndo le vrizioni di corrente) oppure corrente e VD cotnti, miurndo le vrizioni di VG. Nel econdo co, le vrizioni di VG riflettono direttmente le vrizioni di φ.