الترانزستور الحساس للأيونات ذو التأثير الحقلي
تعريفًا بالموضوع، ترانزستور التأثير الحقلي الحساس للأيونات ( ISFET ) هو ترانزستور تأثير حقلي يُستعمل لقياس تركيزات الأيونات في المحلول؛ فعندما يتغير تركيز الأيونات (مثل أيونات الهيدروجين H +، انظر مقياس الرقم الهيدروجيني pH)، يتغير التيار المار عبر الترانزستور تبعًا لذلك. يُستعمل المحلول هنا كقطب بوابة. وينشأ فرق جهد بين سطح الركيزة وسطح الأكسيد نتيجةً لغلاف أيوني. وهو نوع خاص من ترانزستورات التأثير الحقلي المعدنية-الأكسيدية-شبه الموصلة (MOSFET)، ويشترك معها في نفس البنية الأساسية، ولكن مع استبدال البوابة المعدنية بغشاء حساس للأيونات، ومحلول إلكتروليتي، وقطب مرجعي. اُخترع ترانزستور التأثير الحقلي الحساس للأيونات في عام 1970، وكان أول ترانزستور تأثير حقلي للمستشعرات الحيوية (BioFET). وفيما يلي تفاصيل أوسع عن ذلك.
وعلى صعيد آخر، يُصنع مصدر ومصب ترانزستور ISFET بنفس طريقة ترانزستور MOSFET. يفصل حاجز حساس لأيونات الهيدروجين، وفجوة تسمح للمادة قيد الاختبار بالتلامس مع هذا الحاجز، قطب البوابة عن القناة. يعتمد جهد عتبة ترانزستور ISFET على درجة حموضة المادة الملامسة لحاجزه الحساس للأيونات.
علاوةً على ذلك، تختلف عملية التحلل المائي السطحي لمجموعات Si–OH في مواد البوابة في المحاليل المائية تبعًا لقيمة الرقم الهيدروجيني. ومن مواد البوابة الشائعة SiO₂ و Si₃N₄ و Al₂O₃ و Ta₂O₅.
إضافةً إلى ذلك، يمكن وصف الآلية المسؤولة عن شحنة سطح الأكسيد بنموذج ارتباط المواقع، الذي يصف التوازن بين مواقع Si–OH السطحية وأيونات H + في المحلول. تستطيع مجموعات الهيدروكسيل التي تغطي سطح أكسيد مثل SiO2 منح أو استقبال بروتون، وبالتالي تتصرف بطريقة مذبذبة، كما يتضح من تفاعلات الحمض والقاعدة التالية التي تحدث عند سطح التماس بين الأكسيد والإلكتروليت:
—Si–OH + H 2 O ↔ —Si–O − + H3O +
—Si–OH + H 3 O + ↔ —Si–OH 2 + + H 2 O
تاريخ
وفي السياق ذاته، برزت مؤخرًا ترانزستورات تأثير المجال المصنوعة من الجرافين (GFETs) العاملة في السوائل كنموذج واعد لترانزستورات تأثير المجال الحساسة للأيونات (ISFETs). ويعود ذلك إلى أن قنوات الجرافين توفر محولًا أكثر حساسية لتحويل الشحنة إلى تيار مقارنةً بالأجهزة التقليدية القائمة على قنوات أشباه الموصلات الكلاسيكية. إضافةً إلى ذلك، يُعد سطح الجرافين أسهل في التعديل الوظيفي مقارنةً بالسيليكون، مما أدى إلى تطورات واسعة النطاق في ترانزستورات تأثير المجال الحيوية (bioFETs).
- انظر كذلك
- ترانزستور التأثير الحقلي الكيميائي
- الأقطاب الكهربائية الانتقائية للأيونات
- الرقم الهيدروجيني
- مقياس الرقم الهيدروجيني
- قطب كالوميل مشبع
- قطب كلوريد الفضة
- قطب الهيدروجين القياسي
- المراجع
وفي السياق ذاته، يُعدّ ترانزستور موسفت (MOSFET) أساسًا لترانزستور التأثير الحقلي الحساس للأيونات. درس المهندس الهولندي بيت بيرغفيلد، في جامعة توينتي، ترانزستور ،وسفت وأدرك إمكانية تكييفه ليصبح مستشعرًا للتطبيقات الكهروكيميائية والبيولوجية. أدى ذلك إلى اختراع بيرغفيلد لترانزستور التأثير الحقلي الحساس للأيونات عام 1970. وصف بيرغفيلد ترانزستور ISFET بأنه «نوع خاص من ترانزستور MOSFET ببوابة على مسافة محددة». وكان أول ترانزستور FET للمستشعرات الحيوية (BioFET).
وفي هذا الصدد، يمكن دمج مستشعرات ترانزستور التأثير الحقلي الحساس في الدوائر المتكاملة القائمة على تقنية CMOS (أشباه الموصلات المعدنية التكميلية). وتُستعمل أجهزته على نطاق واسع في التطبيقات الطبية الحيوية، مثل الكشف عن تهجين الحمض النووي، والكشف عن المؤشرات الحيوية في الدم، والكشف عن الأجسام المضادة، وقياس الجلوكوز، واستشعار درجة الحموضة. كما يُعدّ ISFET أساسًا لتقنية ترانزستور الأثر الحقلي المستشعر الحيوي اللاحقة، مثل ترانزستور تأثير المجال للحمض النووي (DNAFET)، المستعمل في التقنية الجينية.
انحراف ترانزستور التأثير الحقلي الحساس للأيونات
ومن ناحية أخرى، يشير انحراف ترانزستور ترانزستور التأثير الحقلي الحساس للأيونات إلى عدم استقرار جهد العتبة. فبعد اكتمال الاستجابة الذاتية لترانزستور pH-ISFET، يظل جهد الخرج متغيرًا تدريجيًا وثابتًا مع مرور الوقت، ويستمر هذا الانحراف طوال عملية القياس. وقد شكّل هذا أحد أبرز العقبات أمام تطوير مجسات طبية حيوية فعّالة تجاريًا تعتمد على ترانزستور ISFET. وعلى وجه الخصوص، فإن الدقة العالية المطلوبة للمراقبة المستمرة لدرجة حموضة الدم تفرض متطلبات صارمة على معدل الانحراف المسموح به في ترانزستورات pH-ISFET.
من جانب آخر، تشمل التفسيرات المقترحة للانجراف هجرة الأيونات المعززة بالمجال الكهربائي داخل عازل البوابة، فضلًا عن ظروف عدم التوازن الكهروكيميائي عند سطح التماس بين العازل والمحلول، وحقن الإلكترونات من الإلكتروليت عند الاستقطاب الأنودي القوي، مما يخلق شحنة فراغية سالبة داخل أغشية العازل، وتأثيرات السطح البطيئة.
القيود العملية الناتجة عن قطب المقارنة
وفي السياق ذاته، يمكن استخدام قطب رانزستورالحتأثير السقلي الحاس للأيونات الحساسلتركيز أيونات الهيدروجين (H +) كقطب زجاجي تقليدي لقياس درجة حموضة المحلول مع ذلك، يتطلب هذا القطب وجود قطب مرجعي للتشغيل إذا كان القطب المرجعي المستعمل في التلامس مع المحلول من النوع التقليدي AgCl أو Hg2Cl2، فإنه سيعاني من نفس القيود التي تعاني منها أقطاب قياس الحموضة التقليدية (جهد الوصلة، وتسرب كلوريد البوتاسيوم، وتسرب الجلسرين في حالة القطب الهلامي). كما أن القطب المرجعي التقليدي قد يكون ضخمًا وهشًا ويحول الحجم الكبير الذي يفرضه القطب المرجعي التقليدي دون تصغير حجم قطب ISFET، وهو أمر ضروري لبعض التحليلات البيولوجية أو السريرية التي تُجرى على الكائنات الحية (مسبار قياس الحموضة المصغر القابل للاستخدام لمرة واحدة) وقد يتسبب تعطل القطب المرجعي التقليدي في مشاكل في القياسات المباشرة في الصناعات الدوائية أو الغذائية إذا تلوثت منتجات عالية القيمة ببقايا القطب أو مركبات كيميائية سامة في مرحلة متأخرة من الإنتاج مما يستدعي التخلص منها حفاظًا على السلامة.
كذلك، بالنسبة لأجهزة الاستشعار القائمة على ترانزستورات التأثير الحقلي الحساسة للأيونات (ISFET)، يُعدّ الضجيج منخفض التردد الأكثر ضررًا بنسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الإجمالية، إذ يُمكن أن يتداخل مع الإشارات الطبية الحيوية التي تقع ضمن نفس نطاق التردد. للضجيج ثلاثة مصادر رئيسية. تُعرف مصادر الضجيج خارج ترانزستور ISFET نفسه بالضجيج الخارجي، مثل التداخل البيئي وضجيج الأجهزة من دوائر قراءة البيانات الطرفية. أما الضجيج الداخلي، فيُشير إلى الضجيج الذي يظهر في الجزء الصلب من ترانزستور التأثير الحقلي الحساس للأيونات، والذي ينتج أساسًا عن احتجاز وتحرير حاملات الشحنة عند سطح التلامس بين الأكسيد والسيليكون. بينما ينشأ الضجيج الخارجي عمومًا من سطح التلامس بين السائل والأكسيد نتيجةً لتبادل الأيونات عند هذا السطح. وقد طُوّرت الكثير من الطرق لكبح ضجيج ترانزستور ISFET. مثلًا، لكبح الضجيج الخارجي، يُمكن دمج ترانزستور ثنائي القطب مع ترانزستور ISFET لتحقيق تضخيم داخلي فوري لتيار المصرف. ولتقليل الضوضاء الداخلية، يمكننا استبدال واجهة الأكسيد/السيليكون المشوشة ببوابة وصلة شوتكي.
وفي هذا السياق، لهذا السبب، كُرِّست جهود بحثية مكثفة على مدى أكثر من عشرين عامًا لتطوير ترانزستورات تأثير المجال المرجعية الصغيرة المدمجة على الرقاقة (REFET). يختلف مبدأ عملها، أو طريقة تشغيلها، باختلاف مُصنِّعي الأقطاب الكهربائية، وغالبًا ما تكون هذه الترانزستورات ملكية خاصة ومحمية ببراءات اختراع. كما أن الأسطح المُعدَّلة بأشباه الموصلات، واللازمة لترانزستورات REFET، لا تكون دائمًا في حالة توازن ديناميكي حراري مع محلول الاختبار، وقد تكون حساسة للمواد المذابة الضارة أو المتداخلة، أو لظواهر التقادم غير الموصوفة بدقة. لا تُشكِّل هذه مشكلة حقيقية إذا أمكن إعادة معايرة القطب الكهربائي بشكل دوري ومنتظم، وصيانته بسهولة طوال فترة خدمته. مع ذلك، قد يُصبح هذا الأمر إشكاليًا إذا كان لا بد من إبقاء القطب الكهربائي مغمورًا في خط الإنتاج لفترة طويلة، أو إذا كان الوصول إليه صعبًا بسبب قيود معينة تتعلق بطبيعة القياسات نفسها (كالقياسات الجيوكيميائية تحت ضغط مائي مرتفع في بيئات قاسية، أو في ظروف نقص الأكسجين أو الاختزال التي تتأثر بسهولة بدخول الأكسجين الجوي أو تغيرات الضغط).
من جانب آخر، الضوضاء منخفضة التردد لترانزستور التأثير الحقلي الحساس للأيونات
كذلك، يُعدّ قطب المقارنة عاملًا حاسمًا في أقطاب ISFET، كما هو الحال في الأقطاب الزجاجية التقليدية. عند تشخيص أعطال الأقطاب، غالبًا ما يتطلب الأمر البحث عن أغلب المشاكل من جانب قطب المقارنة.
📝 هل في هذه المقالة خطأ؟
إذا وجدت معلومة تحتاج تصحيحاً أو إضافة، أو أردت حذف المقالة، أرسل لنا طلباً وسنراجعه.
ما رأيك في هذه المقالة؟