ISFET

イオン感応電界効果トランジスタ（ISFET）は、溶液中のイオン濃度を測定するために使用される電界効果トランジスタです。イオン濃度（H +など、pHスケールを参照）が変化すると、トランジスタを流れる電流がそれに応じて変化します。ここでは、溶液がゲート電極として使用されます。基板と酸化物表面の間にイオンシースにより電圧が発生します。これはMOSFET（金属–酸化物–半導体電界効果トランジスタ）の特殊なタイプであり、[ 1 ]同じ基本構造を共有していますが、金属ゲートがイオン感応膜、電解質溶液、および参照電極に置き換えられています。[ 2 ] 1970年に発明されたISFETは、最初のバイオセンサーFET（バイオFET）でした。

ISFETの概略図。FETシステムでは、ソースとドレインが2つの電極として使用されます。電子はドレインとソース間のチャネルで流れます。ゲート電位は2つの電極間の電流の流れを制御します。

ゲート材料のSi-OH基の表面加水分解は、水溶液中のpH値によって変化します。代表的なゲート材料としては、SiO 2、Si 3 N 4、Al 2 O 3、Ta 2 O 5などがあります。

酸化物表面の電荷形成メカニズムは、 Si-OH表面サイトと溶液中のH +イオンとの平衡を記述するサイト結合モデルによって説明できる。SiO 2などの酸化物表面を覆う水酸基は、プロトンを供与または受容することができ、両性イオンとして挙動する。これは、酸化物-電解質界面で起こる以下の酸塩基反応によって示される。

-Si-OH + H 2 O ↔ -Si-O −     + H 3 O +
-Si-OH + H 3 O +   ↔ -Si-OH 2 + + H 2 O

ISFETのソースとドレインはMOSFETと同様の構造です。ゲート電極は、水素イオンに感応するバリアと、試験対象物質が感応バリアに接触するためのギャップによってチャネルから分離されています。ISFETの閾値電圧は、イオン感応バリアに接触する物質のpHに依存します。

参照電極による実用上の制限

H +濃度に敏感な ISFET 電極は、従来のガラス電極と同様に溶液のpH を測定できます。ただし、動作には参照電極も必要です。溶液と接触する参照電極が従来のAgClまたはHg 2 Cl 2型の場合、従来の pH 電極と同じ制限（接合電位、KClリーク、ゲル電極の場合はグリセロールリーク）が発生します。また、従来の参照電極は大きく壊れやすい場合があります。従来の参照電極では容積が大きすぎるため、一部の生物学的分析や生体内臨床分析（使い捨てのミニカテーテル pH プローブ）に必須の機能である ISFET 電極の小型化が妨げられます。従来の参照電極が故障すると、製薬業界や食品業界でのオンライン測定において、高価値製品が製造後期に電極の破片や有毒な化合物に汚染され、安全のために廃棄しなければならない場合に問題が生じる可能性があります。

このため、20年以上にわたり、オンチップに埋め込まれた超小型リファレンス電界効果トランジスタ（REFET）に関する研究が盛んに行われてきました。REFETの動作原理、つまり動作モードは、電極メーカーによって異なり、多くの場合、独自の技術で特許保護されています。REFETに必要な半導体改質表面は、試験溶液と必ずしも熱力学的平衡状態にあるとは限らず、腐食性または干渉性の溶解種、あるいは十分に特性評価されていない経年劣化現象の影響を受けやすい場合があります。電極が定期的に頻繁に再校正され、耐用年数中のメンテナンスが容易であれば、これは大きな問題にはなりません。しかし、電極を長期間にわたりオンライン状態で浸漬させておく必要がある場合、または測定の性質に関連する特定の制約（過酷な環境における高圧水下での地球化学測定、または大気中の酸素の侵入や圧力変化によって容易に乱される無酸素状態または還元状態での地球化学測定など）のために電極にアクセスできない場合は、これが問題となる可能性があります。

従来のガラス電極と同様に、ISFET電極においても参照電極は重要な要素です。電極の不具合をトラブルシューティングする際には、多くの場合、問題の多くは参照電極側から探る必要があります。

ISFETの低周波ノイズ

ISFETベースのセンサーでは、低周波ノイズが全体のSNRに最も悪影響を及ぼします。これは、同じ周波数領域に広がる生体医学信号に干渉する可能性があるためです。[ 3 ]ノイズの発生源は主に3つあります。ISFET自体の外部にあるノイズ源は、環境干渉や端末読み出し回路からの機器ノイズなど、外部ノイズと呼ばれます。固有ノイズは、ISFETの固体部分に発生するノイズを指し、主に酸化物/Si界面におけるキャリアのトラッピングとデトラッピングによって発生します。一方、外在ノイズは、一般的に液体/酸化物界面におけるイオン交換によって発生します。ISFETのノイズを抑制するために、多くの方法が開発されています。例えば、外部ノイズを抑制するために、バイポーラ接合トランジスタをISFETに統合することで、ドレイン電流の内部増幅を実現できます。[ 4 ]また、固有ノイズを抑制するために、ノイズの多い酸化物/Si界面をショットキー接合ゲートに置き換えることができます。[ 5 ]

ISFETのドリフト

ISFETのドリフトとは、閾値電圧の不安定性を指します。pH-ISFETの固有応答が完了した後も、ISFETの出力電圧は時間とともに徐々に単調に変化し、このドリフト挙動は測定プロセス全体にわたって存在します。これは、ISFETベースの商用バイオメディカルセンサーの開発における深刻な障害の一つとなっています。特に、血液pHの連続モニタリングに求められる高精度は、pH-ISFETの許容ドリフト率に厳しい要件を課します。[ 6 ]

ドリフトの原因として提案されているものには、ゲート絶縁体内部の電界によるイオン移動の促進、絶縁体溶液界面における電気化学的非平衡状態、強い陽極分極時の電解質からの電子注入、絶縁体膜内部の負の空間電荷の生成、および表面効果の遅延などがある。[ 7 ]

歴史

ISFETの基礎はMOSFETです。トゥエンテ大学のオランダ人技術者、ピエト・ベルグフェルトはMOSFETを研究し、電気化学および生物学用途のセンサーに応用できることに気付きました。[ 8 ] [ 1 ]これが1970年のベルグフェルトによるISFETの発明につながりました。[ 9 ] [ 8 ]彼はISFETを「ゲートが一定の距離にある特殊なタイプのMOSFET」と表現しました。[ 1 ]これは最も初期のバイオセンサーFET（BioFET）でした。[ 10 ]

ISFETセンサーは、 CMOS （相補型MOS）技術に基づく集積回路に実装できます。ISFETデバイスは、 DNAハイブリダイゼーションの検出、血液からのバイオマーカー検出、抗体検出、グルコース測定、pHセンシングなど、バイオメディカルアプリケーションで広く使用されています。[ 2 ] ISFETは、遺伝子技術で使用されるDNA電界効果トランジスタ（DNAFET）[ 2 ] [ 9 ]などの後のバイオFETの基礎にもなっています。[ 2 ]

最近、液体中で動作するグラフェン電界効果トランジスタ（GFET）が、ISFETの有望な具体例として登場しました。これは、グラフェンチャネルが従来の半導体チャネルに基づくデバイスと比較して、より高感度な電荷-電流変換器を提供するためです。さらに、グラフェン表面はシリコンと比較して機能化が容易であるため、バイオFETの幅広い開発につながっています。[ 11 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b c Bergveld, Piet (1985年10月). 「MOSFETベースセンサーの影響」(PDF) .センサーとアクチュエータ. 8 (2): 109– 127. Bibcode : 1985SeAc....8..109B . doi : 10.1016/0250-6874(85)87009-8 . ISSN  0250-6874 .
  2. ^ a b c d Schöning, Michael J.; Poghossian, Arshak (2002年9月10日). 「生物学的に敏感な電界効果トランジスタ（BioFET）の最近の進歩」（PDF） . Analyst . 127 (9): 1137– 1151. Bibcode : 2002Ana...127.1137S . doi : 10.1039/B204444G . ISSN 1364-5528 . PMID 12375833 .  
  3. ^クリスティン・ベドナー;グゼンコ、ヴィタリー A.タラソフ、アレクセイ。ウィップ、マティアス。ストゥープ、ラルフ L.リガンテ、サラ。ジャン・ブルナー；フー、ワンヤン。デビッド、クリスチャン。カラム、ミシェル。ゴブレヒト、イェンス（2014 年 2 月）。「シリコンナノワイヤセンサーにおける支配的な1/fノイズ源の調査」。センサーとアクチュエーター B: 化学物質。191 : 270–275。ビブコード: 2014SeAcB.191..270B。土井：10.1016/j.snb.2013.09.112。ISSN 0925-4005。 
  4. ^ Zhang, Da; Gao, Xindong; Chen, Si; Norström, Hans; Smith, Ulf; Solomon, Paul; Zhang, Shi-Li; Zhang, Zhen (2014-08-25). 「信号強度の向上とノイズ特性の改善を実現したイオンセンシング用イオンゲート型バイポーラ増幅器」 . Applied Physics Letters . 105 (8): 082102. Bibcode : 2014ApPhL.105h2102Z . doi : 10.1063/1.4894240 . ISSN 0003-6951 . 
  5. ^ Chen, Xi; Chen, Si; Hu, Qitao; Zhang, Shi-Li; Solomon, Paul; Zhang, Zhen (2019-02-22). 「ショットキー接合ゲートを用いたシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタベースセンサーのデバイスノイズ低減」 . ACS Sensors . 4 (2): 427– 433. Bibcode : 2019ACSSe...4..427C . doi : 10.1021/acssensors.8b01394 . ISSN 2379-3694 . PMID 30632733. S2CID 58624034 .   
  6. ^ Chou, Jung chuan (2022). 「ゾル-ゲル法によるスズ酸化物ゲートISFETの作製とドリフトおよびヒステリシス特性に関する研究」. Sensors and Actuators B: Chemical . 86 (1): 58-62. doi : 10.1016/S0925-4005(02)00147-8 .
  7. ^ Jamasb, S.; Collins, SD; Smith, RL (1997). 「Al 2 O 3ゲートpH ISFETのドリフトに関する物理ベースモデル」.国際固体センサ・アクチュエータ会議 (Transducers '97) の議事録. 第2巻. pp.  1379– 1382. doi : 10.1109/SENSOR.1997.635494 . ISBN 0-7803-3829-4。
  8. ^ a b Bergveld, P. (1970年1月). 「神経生理学的測定のためのイオン感応性固体デバイスの開発」. IEEE Transactions on Biomedical Engineering . BME-17 (1): 70– 71. Bibcode : 1970ITBE...17...70B . doi : 10.1109/TBME.1970.4502688 . PMID 5441220 . 
  9. ^ a b Chris Toumazou、Pantelis Georgiou (2011年12月). 「ISFET技術の40年：ニューロンセンシングからDNAシーケンシングまで」 . Electronics Letters . 47 : S7. doi : 10.1049/el.2011.3231 . 2016年5月13日閲覧。
  10. ^ Park, Jeho; Nguyen, Hoang Hiep; Woubit, Abdela; Kim, Moonil (2014). 「電界効果トランジスタ（FET）型バイオセンサーの応用」 .応用科学と融合技術. 23 (2): 61– 71. doi : 10.5757/ASCT.2014.23.2.61 . ISSN 2288-6559 . S2CID 55557610 .  
  11. ^ Beraud, A. (2021). 「バイオ分析センサーとしてのグラフェン電界効果トランジスタ：設計、動作、性能」 . Analyst . 146 (2): 403– 428. Bibcode : 2021Ana...146..403B . doi : 10.1039/D0AN01661F . PMID 33215184 . 

参考文献

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